屈折率勾配を導入したフォトニック結晶レーザーによる短パルス・高出力発振の実現

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02655
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 井上 卓也 京都大学, 工学研究科, 助教 (70793800)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: フォトニック結晶レーザー

研究実績の概要

本研究では、フォトニック結晶の２次元共振作用をレーザー発振に利用した面発光型半導体レーザー（フォトニック結晶レーザー：PCSEL）において、屈折率勾配（バンド端周波数勾配）の導入という新たな短パルス・高ピーク出力化の手法を提案し、外部増幅器を用いない単一光源から、高ビーム品質を維持しつつ、パルス幅数10ps未満, ピーク出力100W～1kW級の短パルス・高ピーク出力発振を実現することを目指した。
前年度までに、周波数勾配型PCSELにおいて、パルス幅10ps程度、ピーク出力200～300W程度のパルス発振を実証し、１年前倒しで、当初の研究目標を達成していた。最終年度の2023年度は、上記の周波数勾配型PCSELのピーク出力のさらなる増大の実現に向けた検討を行った。はじめに、これまでに得られた実験結果と、対応する数値解析結果の詳細な比較を行い、利得関数や屈折率変化関数等、解析に用いる種々の物理パラメータの更新を行った。次に、周波数勾配型フォトニック結晶レーザーの面内に導入する周波数勾配分布とフォトニック結晶の結合係数について、粒子群最適化による自動最適化を行ったところ、可飽和吸収領域を導入しなくとも、単一のデバイスにおいて、1kW級のピーク出力が得られるデバイス構造の設計に成功した。最後に、最適化を行ったデバイス構造の作製を行い、その過渡応答特性の評価を行ったところ、50 Aの注入電流において、パルス幅30ps未満、ピーク出力540W超の高ピーク出力・短パルス発振が得られ、前年度までに得られたピーク出力をさらに2倍程度向上させることに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Demonstration of high-power photonic-crystal surface-emitting lasers with 1-kHz-class intrinsic linewidths (2024)
  • 著者名/発表者名: Morita Ryohei、Inoue Takuya、Yoshida Masahiro、Enoki Kentaro、De Zoysa Menaka、Ishizaki Kenji、Noda Susumu
  • 雑誌名: Optica 巻: 11 ページ: 333～339
  • DOI: 10.1364/OPTICA.505406
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-power and high-beam-quality photonic-crystal surface-emitting lasers: a tutorial (2023)
  • 著者名/発表者名: Noda Susumu、Inoue Takuya、Yoshida Masahiro、Gelleta John、Zoysa Menaka De、Ishizaki Kenji
  • 雑誌名: Advances in Optics and Photonics 巻: 15 ページ: 977～1032
  • DOI: 10.1364/AOP.502863
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 200-W short-pulse operation of photonic-crystal lasers based on simultaneous absorptive and radiative Q-switching (2023)
  • 著者名/発表者名: Morita Ryohei、Inoue Takuya、Ueda Takuma、Masuda Masaki、Nigo Kazuki、Yoshida Masahiro、Zoysa Menaka De、Ishizaki Kenji、Gelleta John、Noda Susumu
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 31 ページ: 31116～31123
  • DOI: 10.1364/OE.499423
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unidirectional Perfect Reflection and Radiation in Double-Lattice Photonic Crystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Inoue Takuya、Noguchi Naoya、Yoshida Masahiro、Kim Heungjoon、Asano Takashi、Noda Susumu
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 20 ページ: L011001-1~6
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.L011001
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-brightness scalable continuous-wave single-mode photonic-crystal laser (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida Masahiro、Katsuno Shumpei、Inoue Takuya、Gelleta John、Izumi Koki、De Zoysa Menaka、Ishizaki Kenji、Noda Susumu
  • 雑誌名: Nature 巻: 618 ページ: 727～732
  • DOI: 10.1038/s41586-023-06059-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ポスト次世代の高輝度半導体レーザー：フォトニック結晶レーザー (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上 卓也, 森田 遼平, 吉田 昌宏, 石崎 賢司, De Zoysa Menaka, 野田 進
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第44回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] 大域的バンド端周波数分布を導入した短パルスフォトニック結晶レーザーの構造最適化による高ピーク出力化 (2024)
  • 著者名/発表者名: 上田 拓磨, 井上 卓也, 森田 遼平, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 非エルミート・エルミート結合制御による垂直放射導波路の放射電界強度の空間分布制御 (2024)
  • 著者名/発表者名: 野口 直哉, 井上 卓也, 吉田 昌宏, 浅野 卓, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 入射ビームを任意の強度分布をもつ放射ビームへと変換可能な非エルミート・エルミート制御２次元フォトニック結晶の設計 (2024)
  • 著者名/発表者名: 金坂 知樹, 井上 卓也, 野口 直哉, 吉田 昌宏, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 透明領域の導入による低駆動電流・狭発散角フォトニック結晶レーザーの提案 (2024)
  • 著者名/発表者名: 西本 拓司, 井上 卓也, 森田 遼平, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 金属3Dプリンタ応用に向けたフォトニック結晶レーザーアレイモジュールの開発 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉田 昌宏, 深田 豊, De Zoysa Menaka, 勝野 峻平, 井上 卓也, 服部 綾太郎, 廣野 陽子, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] フォトニック結晶レーザーへの複数接合活性層の導入: 基本設計 (2024)
  • 著者名/発表者名: 勝野 峻平, 吉田 昌宏, 井上 卓也, De Zoysa Menaka, 初田 蘭子, 阿部 竜也, 奥田 功太郎, 石﨑 賢司, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 超大面積フォトニック結晶レーザーの光注入同期動作の解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 井上 卓也, 森田 遼平, 吉田 昌宏, 石﨑 賢司, De Zoysa Menaka, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 直径10mmフォトニック結晶レーザーの作製 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉田 昌宏, 奥田 功太郎, 勝野 峻平, 井上 卓也, De Zoysa Menaka, 石﨑 賢司, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 直径500μmGaN系PCSELの高ビーム品質動作 (2024)
  • 著者名/発表者名: 十鳥 雅弘, 小泉 朋朗, 江本 渓, De Zoysa Menaka, 森本 峻介, 小川 健志, 北村 篤史, 井上 卓也, 石崎 賢司, 吉田 昌宏, 勝野 峻平, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] GaN系フォトニック結晶レーザーを用いた水中3次元ToF-LiDARの開発(III) (2024)
  • 著者名/発表者名: 小川 健志, De Zoysa Menaka, 十鳥 雅弘, 江本 渓, 小泉 朋朗, 森本 峻介, 北村 篤史, 和泉 孝紀, 井上 卓也, 石崎 賢司, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 光子・光子共鳴に基づくフォトニック結晶レーザーの直接変調帯域の広帯域化(III)―実験的実証― (2024)
  • 著者名/発表者名: 森田 遼平, 井上 卓也, 仲野 秀栄, De Zoysa Menaka, 石崎 賢司, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 分割領域を有するワット級フォトニック結晶レーザーの周波数変調動作 (2024)
  • 著者名/発表者名: 仲野 秀栄, 井上 卓也, 森田 遼平, De Zoysa Menaka, 石﨑 賢司, 石村 昇太, 西村 公佐, 高橋 英憲, 釣谷 剛宏, 鈴木 正敏, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 多点出射二重格子変調フォトニック結晶レーザーの短パルス・高ピーク出力動作 (2024)
  • 著者名/発表者名: 石崎 賢司, 坂田 諒一, 八木 雄大, 井上 卓也, 田中 聡記, De Zoysa Menaka, 初田 蘭子, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 二重格子変調フォトニック結晶レーザーによる高解像度なビームパターンの発生 (2024)
  • 著者名/発表者名: 坂田 諒一, 趙 海如, 石崎 賢司, 井上 卓也, De Zoysa Menaka, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 電流・温度分布の制御によるPCSELのリアルタイム発振モード状態制御 (2024)
  • 著者名/発表者名: 行舎 直起, 和泉 孝紀, De Zoysa Menaka, 小林 宇翔, 井上 卓也, 勝野 峻平, 吉田 昌宏, 石崎 賢司, 初田 蘭子, 野田 進
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 自己進化フォトニック結晶に基づく短パルス・高ピーク出力レーザー発振 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 卓也, 森田 遼平, 吉田 昌宏, 石崎 賢司, De Zoysa Menaka, 野田 進
  • 学会等名: 日本物理学会 第78回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] フォトニック結晶レーザーの短パルス・高出力動作の実現 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 卓也, 森田 遼平, 吉田 昌宏, 石崎 賢司, De Zoysa Menaka, 野田 進
  • 学会等名: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • 招待講演
• [学会発表] Unidirectional perfect reflection and radiation in double-lattice photonic crystals (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Inoue, N. Noguchi, M. Yoshida, H. Kim, T. Asano, and S. Noda
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 非エルミート・エルミート結合制御に基づく無反射・垂直放射導波路の放射電界強度分布制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 野口 直哉, 井上 卓也, 吉田 昌宏, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 非エルミート・エルミート結合制御に基づく無反射・一様垂直放射2次元アンテナの設計 (2023)
  • 著者名/発表者名: 井上 卓也, 野口 直哉, 吉田 昌宏, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 大面積フォトニック結晶レーザーの電流分布制御と高ビーム品質動作 (2023)
  • 著者名/発表者名: 阿部 竜也, 吉田 昌宏, 勝野 峻平, De Zoysa Menaka, 井上 卓也, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 10mmΦフォトニック結晶レーザーの発振特性の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 前田 健太郎, 井上 卓也, 吉田 昌宏, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 直径3mmフォトニック結晶レーザーのCW光出力増大と金属加工への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 勝野 峻平, 吉田 昌宏, De Zoysa Menaka, 井上 卓也, 石﨑 賢司, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 大電流パルス駆動による大面積フォトニック結晶レーザーのキロワット級高ピーク出力動作 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉田 昌宏, 勝野 峻平, De Zoysa Menaka, 井上 卓也, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 光子・光子共鳴に基づくフォトニック結晶レーザーの直接変調帯域の広帯域化(II) (2023)
  • 著者名/発表者名: 森田 遼平, 井上 卓也, 仲野 秀栄, De Zoysa Menaka, 石崎 賢司, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 機械学習とCMA-ESを活用した連続駆動分割電極PCSELのリアルタイム発振モード状態制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 和泉 孝紀, De Zoysa Menaka, 行舎 直起, 小林 宇翔, 井上 卓也, 勝野 峻平, 吉田 昌宏, 石﨑 賢司, 初田 蘭子, 浅野 卓, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] フォトニック結晶レーザーの発振状態制御のための面内温度分布制御機構の導入 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小林 宇翔, 和泉 孝紀, De Zoysa Menaka, 行舎 直起, 井上 卓也, 勝野 峻平, 吉田 昌宏, 石﨑 賢司, 初田 蘭子, 浅野 卓, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 変調フォトニック結晶レーザーの放射特性の RCWA 法による詳細解析(II) (2023)
  • 著者名/発表者名: 田中 聡記, 坂田 諒一, 井上 卓也, 石崎 賢司, De Zoysa Menaka, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 二重格子構造を導入した変調フォトニック結晶レーザーによる狭発散角多点同時ビーム出射 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石崎 賢司, 坂田 諒一, 今村 陽, 井上 卓也, 田中 聡記, De Zoysa Menaka, 小松原 望, 前田 修, 太田 浩紀, 山田 和義, 中村 仁, 山口 圭治, 初田 蘭子, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 変調フォトニック結晶レーザーの高ピーク出力・短パルス動作の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 坂田 諒一, 石崎 賢司, 井上 卓也, 森田 遼平, 田中 聡記, De Zoysa Menaka, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] GaN系フォトニック結晶レーザーを用いた水中3次元ToF-LiDARの開発 (II) (2023)
  • 著者名/発表者名: 小川 健志, De Zoysa Menaka, 十鳥 雅弘, 江本 渓, 小泉 朋朗, 森本 峻介, 和泉 孝紀, 井上 卓也, 石崎 賢司, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] フォトニック結晶レーザーの狭固有スペクトル線幅(~1kHz)動作 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森田 遼平, 井上 卓也, 吉田 昌宏, De Zoysa Menaka, 石崎 賢司, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ワット級CWフォトニック結晶レーザーを用いた10 Gbit/s級自由空間光通信の実現 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森田 遼平, 石村 昇太, 井上 卓也, De Zoysa Menaka, 石崎 賢司, 高橋 英憲, 鈴木 正敏, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 大域的バンド端周波数勾配を導入したフォトニック結晶レーザーによる高ピーク出力・短パルス発振 (2023)
  • 著者名/発表者名: 上田 拓磨, 二五 和樹, 井上 卓也, 森田 遼平, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] GaN系PCSELの共振器面積拡大によるCW高出力化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 十鳥 雅弘, 小泉 朋朗, 江本 渓, De Zoysa Menaka, 森本 峻介, 小川 健志, 井上 卓也, 石崎 賢司, 吉田 昌宏, 勝野 峻平, 野田 進
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [備考] 高出力と狭い固有スペクトル線幅を有するフォトニック結晶レーザーの実現
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20240227
• [備考] フォトニック結晶レーザーの高輝度単一モード連続動作の実現
  • URL: https://www.t.kyoto-u.ac.jp/ja/research/topics/20230615
• [備考] ナノプロセス工学研究室
  • URL: https://www.nano.kuee.kyoto-u.ac.jp/
• [産業財産権] 2次元フォトニック結晶レーザ (2024)
  • 発明者名: 野田 進、井上 卓也、森田遼平
  • 権利者名: 野田 進、井上 卓也、森田遼平
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2024-027253