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本研究の目的は、円筒ブラッグ反射導波路に円筒全反射導波路を組み込むことで面発光レーザ用化合物半導体波長変換素子を開発することである。GaAs/air円筒ブラッグ反射導波路の全反射等価屈折率とブラッグモード等価屈折率を有限要素法にて数値計算し、素子の設計を行った。その結果、残念ながら位相整合を達成できる条件を見つけ出すことができなかった。
また素子設計の過程で、円弧導波路中の位相(等価屈折率)は、2次元FDTD法による計算値と有限要素法の直線導波路近似による計算値で微小ながら異なることを見いだした。そこで、超小型なフットプリントデバイスを実現できるU字折りたたみ導波路について2次元FDTD計算を用いて高精度に再計算した。その結果、直線導波路と円弧導波路の幅を変え接合部分にテーパ導波路を挿入することで、高効率で位相整合を達成することができることを明らかにした。1.1 mm四方のフットプリントを実現する素子(直線導波路長1 mmと円弧導波路30 μmのU字導波路導を16回折りたたんだ導波路長18.7 mmの素子)において、波長1.55 μm基本波からの第二高調波の理論変換効率は47000 %/Wであった。これは既存のニオブ酸リチウム導波路素子のそれと比べておよそ20倍である。また、導波路幅に対する許容幅も計算することで、実用的な素子の作製ができることを明らかにした。
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