2015 Fiscal Year Annual Research Report
フォトニック結晶導波路での超高速動的スローライトチューニングとその応用
| Project/Area Number |
14J00060
|
|---|
| Research Institution | Yokohama National University |
|---|
Principal Investigator |
近藤 圭祐 横浜国立大学, 工学府, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
|
| Keywords | 半導体光制御 / 高速光制御 / 光導波路 / フォトニック結晶 / スローライト / 非線形光学 / 光相関計 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、CMOS互換プロセスを用いてフォトニック結晶導波路(PCW)を製作し、それにより生成されるスローライトの物理を探求する。特に、2つのスローライト間の相互作用を利用した動的スローライトチューニングを研究してきた。本年度は、昨年度に動作実証したドップラーシフトと断熱的波長変換の研究を深め、さらに、非線形フォトダイオード(PD)アレイを集積したPCWを用いた光相関計を提案した。
光による光反射を用いたドップラーシフトは、基本動作を実証していたが反射の原理に不明な箇所がいくつかあった。本年度はこれに取り組み、理論考察とシミュレーションの整合より原理の解明に至った。その過程で、これまで類似の現象として曖昧に議論されていたドップラーシフトと断熱的波長変換と相互位相変調の3つの現象の関係性を明らかにし、物理的に興味深い議論を示した。
断熱的波長変換においてはこれまで、制御パルスの非線形吸収により自由キャリアを生成し、キャリアプラズマ効果による屈折率の低下を信号パルスに動的に与えて短波長シフトさせていた。これは本研究に限らず、他機関の実証例においても全般的に同じであった。これに対し本年度は、PCW上に形成したpnダイオードの逆バイアス動作を用いて、生成した自由キャリアを引き抜くというこれまでと逆の過程により長波長シフトを実現した。ここで得た波長シフトは0.08nmと大きくなかったが、現在、pn接合形状の最適化による大きな長波長シフトの実現に取り組んでいる。
PCWに非線形PDをアレイ化した光相関計では、PCWの両端から入力された光パルスの空間的な相関を非線形PDアレイによって取得してパルス波形を測定する。計算では波形取得速度数100 MHz~数GHzという高速動作でパルス幅1~10psの短パルスを測定できると見積もられた。今後、実際に設計した光相関計の動作を実証する予定である。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は光による光反射を用いたドップラーシフトの詳細な原理を解明し、その全貌を明らかにすることができた。さらに、ドップラーシフトと断熱的波長変換の関係を明瞭化するなど物理的に興味深い知見を得ることもできた。これを昨年度までの実証結果と合わせて論文としてまとめ上げ、Physical Review A誌のRapid Communicationsに掲載され、国際会議で2件の口頭発表と1件のポスター発表を行うなどの成果を上げた。
断熱的波変換の研究においてはpnダイオードの逆バイアス動作による長波長シフトを実証し、波長変換機能を拡張させることに成功した。この結果に関して、国内学会で1件の口頭発表を行った。ただし、ここでは波長シフト量0.08 nmと十分な大きさを得られず、現在、pn接合形状の最適化による大きな長波長シフトの実現に取り組んでいる。既に発注したデバイスが近日納品される予定であり、これにより波長シフト量が増大されることを期待している。
これまでの研究から、非線形PDアレイを集積したPCWを用いた光相関計を提案した。これはPCWの両端から光パルスを入力して相関波形を取得するというものであり、先の反射型ドップラーシフトの研究が着想のヒントであった。このデバイスは従来の光相関計と比較して、超高速動作（数100MHz~数GHz）、オンチップ集積可能、高感度という利点を同時に実現する。本構想にはCMOS互換プロセスの高度な集積技術とスローライトチューニングを巧みに組み合わせた本研究の独自性が現れており、大変有意義な研究であると考える。この結果に関して、国内学会で1件の口頭発表を行った。この研究においても近日納品予定のデバイスによる動作実証を期待している。
以上の成果より、本年度の研究は期待以上の進展があったと評価する。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今後はまず、断熱的波長変換における長波長シフトの波長変化量増大を試みる。既にデバイスは発注済みであり、それが納品され次第実験を進める予定である。また、この研究ではpnダイオードによる自由キャリア引き抜きを用いるが、フォトニック結晶導波路におけるキャリア引き抜き特性を調査した研究例は実は少ないため、その調査も併せて進める。
次に、非線形PDアレイ付PCWを用いた光相関計であるが、これも既にデバイスを発注済みであり、納品され次第実験を進める予定である。本デバイスは本年度初めて提案したものであるため、まずは初期的な動作実証を目指す。これができたら、光相関計としての性能評価を行っていく。具体的には、測定可能なパルス時間幅の範囲、時間分解能、検出感度、波形取得速度を評価する。この中で特に、波形取得速度の高速性を実証するためにはPDからの光電流を高速に測定するために、広帯域な電気アンプや電流計が必要であり、これに来年度の特別研究員奨励費を充てようと考えている。これによって世界初のオンチップシングルショット光相関計の実証を目指す。
本年度、光による光反射を用いたドップラーシフトの実験による実証を目指したが、シリコンのPCWでは二光子吸収誘起のキャリアプラズマ効果による屈折率変化が不足しており実現が困難であることがわかった。そこで今後はシリコンのPCWに高非線形材料を組み合わせて大きな非線形屈折率変化を発現させる手法を試みる。実際に本研究室では過去に、高非線形材料であるカルコゲナイドガラスをシリコンPCWに装荷させて非線形増大を狙った研究があった。本研究ではこれを応用してドップラーシフトの実証を目指す。
|
Research Products
(10 results)
