面内及び放射回折の総合的制御による超大面積単一モードフォトニック結晶レーザの実現

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23K13678
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 吉田 昌宏 京都大学, 工学研究科, 助教 (20880636)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2027-03-31
• キーワード: フォトニック結晶レーザ / フォトニック結晶 / 半導体レーザ

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発振に利用した半導体レーザ（フォトニック結晶レーザ：PCSEL）において，2次元面内の回折効果のみならず，面垂直への放射波を介した回折効果も総合的に制御する新たな手法により，半導体レーザとしてこれまでにない直径3mm以上の超大面積での単一モード発振の実証を試みる．そして，100W級を超える高出力・高ビーム品質動作（＝高輝度動作）の実現を目指す．
初年度である2023年度は，まず，二重格子フォトニック結晶における直接的な面内回折及び放射を介した回折の両方を精密に制御し，回折効果を適切に低減することで，大面積単一モード動作を可能とするフォトニック結晶構造の設計・作製に成功した．続いて，実際に大面積デバイスを動作させるうえで重要となる，デバイス全面へ適切な電流注入を実現するために，出射ビームへの影響を極力避けつつ，適切な電流注入を可能とする放射線状の出射面側電極構造の設計・作製を行った．さらに，大面積デバイスの連続（CW）駆動における高出力動作を可能とするために，デバイスの発熱により生じる面内温度分布を補償するために，フォトニック結晶の格子定数に意図的な分布を導入した温度分布補償構造についても設計を行った．そして，以上の検討内容を踏まえて，直径3mmのフォトニック結晶レーザを開発した．開発したデバイスのCW駆動において，単一モード50W動作の実現に成功し，大型レーザに匹敵する輝度1GW/cm2/srを達成した．

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

本研究では，フォトニック結晶レーザ（PCSEL）において，直径3mm以上の超大面積での単一モード発振による，100W級を超える高出力・高ビーム品質動作（＝高輝度動作）の実現を目指している．初年度である2023年度は，大面積単一モード動作実現の鍵となる，二重格子フォトニック結晶における直接的な面内回折及び放射を介した回折の両方の精密な制御の実証に成功した．さらに，実際に大面積デバイスを動作させるうえで重要となる，適切な電流注入を可能とする電極構造，および動作時のデバイス温度上昇の影響の補償する構造についても設計を行うことが出来た．そして，これらの結果として，直径3mmフォトニック結晶レーザの開発に成功し，CW駆動における単一モード50W動作を達成することに前倒しで成功した．これは，半導体レーザ単一チップで，大型レーザに匹敵する輝度1GW/cm2/srを実現したことを意味し，本成果は，Nature誌に論文が掲載され，国内外の多数のメディアで報道されるなど，大きな注目を集めた．以上より，本研究課題は当初の計画以上に進展しているといえる．

今後の研究の推進方策

上述の通り，2023年度は，研究が当初計画以上に進行し，大面積PCSELの高出力・高ビーム品質動作を実現するための要素技術を開発するとともに，単一モード・CW 50W動作を実現することに成功した．2024年度はこの結果を踏まえ，さらに光出力を増大することを目指して研究を推進する．具体的には，まず，単位面積当たりの光出力を増大するために，デバイスの効率向上に関する検討を行う．デバイスを構成する材料（主にp型ドーピング層）の光吸収に起因した吸収損失の低減や，それに合わせた活性層の利得特性の調整等のデバイス層構造の最適化に取り組む．さらに，デバイスの発振面積の拡大による光出力の増大に関する検討も行う．発振面積拡大の方法としては，面発光レーザであることを活かした2次元アレイ化や単一デバイスのさらなる面積拡大等の手法について検討する．

次年度使用額が生じた理由

昨今の為替の影響により国際会議参加のための旅費等に当初予定以上の費用がかかったことや，急激な物価高騰のため，予算の都合から購入可能な物品が制限された．そこで，残りの助成金について繰り越すことによって，次年度以降の助成金と合わせて，適切な物品を選定し，購入する費用にあてることによって，効率良く助成金を使用することを意図して繰り越した．

備考

野田研究室：http://www.qoe.kuee.kyoto-u.ac.jp/
PCSEL-COE:https://pcsel-coe.kuee.kyoto-u.ac.jp/ja/

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] Mixed-mode-state control of photonic-crystal lasers under CW operation (2024)
  • 著者名/発表者名: Izumi Koki、De Zoysa Menaka、Nakagawa Yuichiro、Gyoja Naoki、Inoue Takuya、Katsuno Shumpei、Sakata Ryoichi、Ishizaki Kenji、Yoshida Masahiro、Gelleta John、Hatsuda Ranko、Noda Susumu
  • 雑誌名: Journal of the Optical Society of America B 巻: 41 ページ: 392～399
  • DOI: 10.1364/JOSAB.509908
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-power and high-efficiency operation of 1.3 μm-wavelength InP-based photonic-crystal surface-emitting lasers with metal reflector (2024)
  • 著者名/発表者名: Itoh Yuhki、Aoki Takeshi、Fujii Kosuke、Yoshinaga Hiroyuki、Fujiwara Naoki、Takada Kenshi、Ogasawara Makoto、Sawada Yusuke、Yagi Hideki、Yanagisawa Masaki、Yoshida Masahiro、Inoue Takuya、Zoysa Menaka De、Ishizaki Kenji、Noda Susumu
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 32 ページ: 12520～12527
  • DOI: 10.1364/OE.521109
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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
• [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] Smart laser controlling mixed-mode state (2023)
  • 著者名/発表者名: De Zoysa Menaka、Nakagawa Yuichiro、Izumi Koki、Inoue Takuya、Ishizaki Kenji、Yoshida Masahiro、Gelleta John、Noda Susumu
  • 雑誌名: Optica 巻: 10 ページ: 754～762
  • DOI: 10.1364/OPTICA.486319
  • 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
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.L011001
  • 査読あり
• [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, De Zoysa Menaka, 石崎賢司, 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] 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] 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] 1.5um帯InP系フォトニック結晶レーザーの高出力CW動作 (2024)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 友樹, 青木 健志, 藤井 康祐, 田中 礼, 小笠原 誠, 澤田 祐甫, 町長 賢一, 吉永 弘幸, 藤原 直樹, 八木 英樹, 柳沢 昌輝, 吉田 昌宏, 井上 卓也, メーナカ デゾイサ, 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] 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] 機械学習を用いた二重格子フォトニック結晶レーザーの結晶再成長過程における３次元空孔形状変化予測 (2024)
  • 著者名/発表者名: 初瀬 史哉, 北村 恭子, 宮井 英次, 石崎 賢司, 吉田 昌宏, 初田 蘭子, メーナカ デゾイサ, 井上 卓也, 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] 50W Continuous-Wave Operation of a 3mm-Diameter Photonic-Crystal Surface-Emitting Laser (2023)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yoshida, Shumpei Katsuno, Takuya Inoue, Menaka De Zoysa, Kenji Ishizaki, Susumu Noda
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics 2023 (CLEO 2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High-Power 1.3 μm Wavelength Operation of Asymmetric Double-Lattice Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Ogasawara, Y. Itoh, N. Kono, K. Fujii, H. Yoshinaga, N. Fujiwara, T. Aoki, K. Takada, R. Tanaka, H. Yagi, M. Yanagisawa, M. Yoshida, T. Inoue, M. D. Zoysa, and S. Noda
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics 2023 (CLEO 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Unidirectional perfect reflection and radiation in double-lattice photonic crystals (2023)
  • 著者名/発表者名: Takuya Inoue, Naoya Noguchi, Masahiro Yoshida, Heungjoon Kim, Takashi Asano, and Susumu Noda
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics 2023 (CLEO 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] 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] 金属反射ミラーを有するInP系フォトニック結晶レーザーの高出力・高効率動作 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 友樹, 青木 健志, 高田 賢志, 藤井 康祐, 吉永 弘幸, 藤原 直樹, 田中 礼, 小笠原 誠, 澤田 祐甫, 八木 英樹, 柳沢 昌輝, 吉田 昌宏, 井上 卓也, 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] 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] 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] 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] 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] 金属焼き切れる強力レーザー、１円玉より小さい装置で実現…京大教授「ゲームチェンジもたらす」
  • URL: https://www.yomiuri.co.jp/local/kansai/news/20230615-OYO1T50014/
• [備考] 金属加工レーザー、数十分の1に小型化 京大が技術、価格も安く
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGKKZO71904970V10C23A6CE0000/
• [備考] Semiconductor Lasers Hit Steel-Slicing Levels
  • URL: https://spectrum.ieee.org/photonic-crystal-lasers
• [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、吉田昌宏、デ ゾイサ メーナカ
  • 権利者名: 野田 進、井上 卓也、吉田昌宏、デ ゾイサ メーナカ
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2024-032059
• [産業財産権] 2次元フォトニック結晶レーザ (2023)
  • 発明者名: 野田 進、井上 卓也、デ ゾイサ メーナカ、吉田昌宏、石崎賢司
  • 権利者名: 野田 進、井上 卓也、デ ゾイサ メーナカ、吉田昌宏、石崎賢司
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2023-192341
• [産業財産権] 回折格子結合器 (2023)
  • 発明者名: 野田 進、井上 卓也、吉田昌宏
  • 権利者名: 野田 進、井上 卓也、吉田昌宏
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2023-139935
• [産業財産権] 2次元フォトニック結晶レーザ (2023)
  • 発明者名: 野田 進、吉田昌宏、デ ゾイサ メーナカ、井上 卓也
  • 権利者名: 野田 進、吉田昌宏、デ ゾイサ メーナカ、井上 卓也
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/JP2023/030563
  • 外国