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2013 年度 実績報告書

シリコンフォトニック結晶ナノ共振器の性能向上と非線形光学効果の増強

研究課題

研究課題/領域番号 23686015
研究機関大阪府立大学

研究代表者

高橋 和  大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20512809)

研究期間 (年度) 2011-04-01 – 2015-03-31
キーワードシリコンラマンレーザー / フォトニック結晶 / 微小共振器 / ラマン散乱
研究実績の概要

本研究課題の目的は、①次世代光デバイスとして期待されているシリコンフォトニック結晶ナノ共振器のQ値向上、共振波長ばらつき低減という2つの性能指数の向上と、②ナノ共振器による非線形光学効果の増強効果の理解の深化の2つである。前者では、Q値1000万、共振波長ばらつき100pm以下を明確な数値目標とし、後者では様々な非線形光学効果の定量的な観測を目標としてきた。
本年度は、昨年度達成したナノ共振器の世界最高Q値900万に関する研究成果を論文にまとめた。この論文は、web of science において高被引用論文に指定された(上位1%)。Q値1000万については、さまざまな検討を行ったが今のところ達成できていない。
次に、共振波長の制御性向上に関しては、既存のデバイスと比べて1/50のサイズとなる100 GHzグリッド間隔で動作する世界最小サイズの32チャンネル波長フィルターについて論文発表した。しかし、波長ばらつき低減については、200pmからの数値的な向上が見られておらず、Q値との相関関係もみられない。原因究明が今後の課題である。
非線形効果の増強については、昨年度達成したナノ共振器を用いたシリコンラマンレーザー発振に関する論文がネイチャー誌に掲載された。この論文もweb of science において高被引用論文に指定された。発振閾値はインテルが発表しているデバイスの2万分の1、デバイスサイズも1万分の1以下という驚異的なもので、国内外の多くのメディアに取り上げられた。また、ナノ共振器におけるラマン散乱の増強メカニズムに関する論文もPhysical Review B に掲載された。想像以上の高性能が得られたため、大きな反響が世界中からあり、ラマンレーザーの研究を優先的に進める必要が生じたため、研究期間を9ヶ月間繰り越すこととした。
なお、本研究は、京都大学野田進研究室の協力を得て行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

超小型シリコンラマンレーザ-の超低閾値での室温連続発振に関する論文がネイチャー誌に掲載された。また、Optics Express誌に掲載された世界最高Q値900万に関する論文も、3か月連続トップダウンロード10位以内に入るなど注目された。2つの論文ともに、Web of Scienceの高被引用論文(上位1%)に指定された。

今後の研究の推進方策

Q値900万を達成して、1000万は既に視界にとらえたつもりでいたが、思いのほか苦戦している。表面状態の改善などを次年度は調べる予定である。また、真空中での測定を行うことで達成できると見込んでいる。Q値向上、共振波長ばらつき低減とも、ラマンレーザーの高機能化や非線形光学効果の増強に重要であるため継続して改善を試みる。
非線形光学効果の増強は、ラマンレーザ-の低閾値化、高効率化、高出力化などについて、理論・実験両面から研究を進める。ネイチャー誌で発表した、出力100マイクロワット、効率4%の更新を目指す。
残念ながら次年度は新たな学生を獲得できないこととなったので、研究室所属の学生1名とともに、本研究課題で得られた成果を狭い世界で終わらせないよう、10年先を見据えながら研究を進める予定である。

備考

Nature誌で発表したシリコンラマンレーザー開発に関して記者発表を行い、国内外の多数のメディアに掲載された。第17回丸文学術賞をいただいた。

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2014 2013 2012 その他

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 6件) 学会発表 (8件) (うち招待講演 3件) 備考 (5件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] A Microwatt threshold Raman silicon laser2014

    • 著者名/発表者名
      Yasushi Takahashi and Susumu Noda
    • 雑誌名

      IEEE Photonics Journal

      巻: 6 ページ: 0700105

    • DOI

      10.1109/JPHOT.2014.2310218

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 高Q値フォトニック結晶ナノ共振器を用いた超小型ラマンシリコンレーザの開発2014

    • 著者名/発表者名
      高橋和、野田進
    • 雑誌名

      レーザ加工学会誌

      巻: Vol.21 No.2 ページ: 61-64

  • [雑誌論文] Photonic Crystal Nanocavity with a Q-Factor of ~9 million2014

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Sekoguchi, Yasushi Takahashi, Takashi Asano, and Susumu Noda
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 22 ページ: 916-924

    • DOI

      10.1364/OE.22.000916

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Ultra compact 32-channel drop filter with 100 GHz spacing2014

    • 著者名/発表者名
      Yasushi Takahashi, Takashi Asano, Daiki Yamashita, and Susumu Noda
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 22 ページ: 4692-4698

    • DOI

      10.1364/OE.22.004692

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] フォトニック結晶ナノ共振器ラマンシリコンレーザー2014

    • 著者名/発表者名
      高橋和、乾善貴、浅野卓、野田進
    • 雑誌名

      レーザー研究

      巻: Vol.42 No.3 ページ: 250-255

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] シリコンフォトニック結晶による光励起ラマンレーザー発振2014

    • 著者名/発表者名
      高橋和
    • 雑誌名

      応用物理

      巻: Vol.83 No.6 ページ: 448-451

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A micrometre-scale Raman silicon laser with a microwatt threshold2013

    • 著者名/発表者名
      Yasushi Takahashi, Yoshitaka Inui, Masahiro Chihara, Takashi Asano, Ryo Terawaki, and Susumu Noda
    • 雑誌名

      Nature

      巻: 498 ページ: 470-474

    • DOI

      10.1038/nature12237

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] High-Q resonant modes in the photonic crystal heterostructure nanocavity and applicability to a Raman Silicon laser2013

    • 著者名/発表者名
      Yasushi Takahashi, Yoshitaka Inui, Masahiro Chihara, Ryo Terawaki, Takashi Asano, and Susumu Noda
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 88 ページ: 235313

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.88.235313

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 極微小・超低閾値ラマンシリコンレーザー2013

    • 著者名/発表者名
      高橋和、乾善貴、千原賢大、浅野卓、野田進
    • 雑誌名

      月刊オプトロニクス

      巻: 381 ページ: 93-97

  • [学会発表] 高Q値微小共振器による誘導ラマン散乱の増強2014

    • 著者名/発表者名
      高橋和
    • 学会等名
      2014年春季日本物理学会
    • 発表場所
      東海大学 湘南キャンパス
    • 年月日
      2014-03-27 – 2014-03-27
    • 招待講演
  • [学会発表] 高Q値シリコンナノ共振器のラマンシフトの高精度測定2014

    • 著者名/発表者名
      山下大喜,高橋和,浅野卓,野田進
    • 学会等名
      2014年春季応用物理学会
    • 発表場所
      青山学院大学
    • 年月日
      2014-03-17 – 2014-03-17
  • [学会発表] フォトニックヘテロ構造ナノ共振器・導波路間結合の解析的理論の検討2014

    • 著者名/発表者名
      乾善貴,高橋和,浅野卓,野田進
    • 学会等名
      2014年度春季応用物理学会
    • 発表場所
      青山学院大学
    • 年月日
      2014-03-17 – 2014-03-17
  • [学会発表] フォトニック結晶ナノ共振器を用いた超低閾値ラマンシリコンレーザー2014

    • 著者名/発表者名
      高橋和、野田進
    • 学会等名
      レーザー学会
    • 発表場所
      北九州国際会議場
    • 年月日
      2014-01-20 – 2014-01-20
    • 招待講演
  • [学会発表] 高Q値ナノ共振器を用いた極低閾値ラマンシリコンレーザー2013

    • 著者名/発表者名
      高橋和,乾善貴,浅野卓,野田進
    • 学会等名
      2013年秋季物理学会
    • 発表場所
      徳島大学
    • 年月日
      2013-09-28 – 2013-09-28
  • [学会発表] ナノ共振器ラマンSiレーザにおける励起光共振モードのQ値に関する考察2013

    • 著者名/発表者名
      乾善貴,高橋和,浅野卓,野田進
    • 学会等名
      2013年秋季応用物理学会
    • 発表場所
      同志社大学
    • 年月日
      2013-09-18 – 2013-09-18
  • [学会発表] Ultralow-threshold Continuous-wave Raman Silicon Laser Using a Photonic Crystal High-Q Nanocavity2013

    • 著者名/発表者名
      Yasushi Takahashi
    • 学会等名
      Conference on Lasers and Electro-Optics
    • 発表場所
      San Jose, USA
    • 年月日
      2013-06-13 – 2013-06-13
  • [学会発表] Q値ナノ共振器を用いた超低閾値シリコンラマンレーザ発振2013

    • 著者名/発表者名
      高橋 和
    • 学会等名
      第10回光科学若手研究会
    • 発表場所
      京都大学 宇治
    • 年月日
      2013-05-11 – 2013-05-11
    • 招待講演
  • [備考] 大阪府立大学 高橋研究室

    • URL

      http://www.pe.osakafu-u.ac.jp/pe9/index.html

  • [備考] 大阪府立大学 電子物理学科 電子物理工学分野

    • URL

      http://www.pe.osakafu-u.ac.jp/research_detail/group10

  • [備考] JSTからのプレスリリース

    • URL

      http://www.jst.go.jp/pr/announce/20130627/index.html

  • [備考] ネイチャー誌のNEWS & VIEWS

    • URL

      http://www.nature.com/nature/journal/v498/n7455/full/498447a.html

  • [備考] 大阪府立大学 ナノ科学材料研究センター

    • URL

      http://www.nanosq.21c.osakafu-u.ac.jp/topics/paper/2013/06_27.html

  • [産業財産権] ラマン散乱光増強デバイス、ラマン散乱光増強デバイスの製造方法ならびに、ラマン散乱光増強デバイスを用いたラマンレーザー光源2012

    • 発明者名
      高橋和、乾善貴、千原賢大、浅野卓、野田進
    • 権利者名
      高橋和、乾善貴、千原賢大、浅野卓、野田進
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      5401635
    • 出願年月日
      2012-08-24
    • 取得年月日
      2013-11-01

URL: 

公開日: 2016-06-01  

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