2017 Fiscal Year Annual Research Report
高Ｑ値フォトニック結晶ナノ共振器を用いたシリコンラマンレーザーの出力向上
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16J06619
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
山下 大喜 大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | フォトニック結晶 / ナノ共振器 / シリコンラマンレーザ / 非線形光学効果 / 時間領域測定 / モード結合理論 / 半導体微細加工技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々の研究グループは，高Q値ナノ共振器を用いたシリコン(Si)ラマンレーザの研究を行っている．このレーザは，小型な共振器長(<10um)で低閾値発振(<1uW)を達成しており，電子技術と光技術が融合した高性能Siチップにおける小型光源などへの応用が期待されている．現状，このレーザの出力は数百ナノワット程度で飽和してしまうため，高出力化は特に重要である．
本研究では，このレーザの発振メカニズムを明らかにすることによって，出力の損失要因を特定し，高出力化・高性能化を目指す．前年度までに，ラマンレーザの時間領域測定を行い，2光子吸収と自由キャリア吸収による光損失に加えて，2光子吸収キャリアがもたらす屈折率変化による共振波長シフトも，レーザ出力低下の大きな要因であることを報告してきた．今年度は，この研究から得られた知見を踏まえ，ラマン散乱光励起（RLE）分光法と呼ばれる新しい利得スペクトル測定手法を用いて，Siラマンレーザの利得特性を明らかすることに成功した．この一つの測定法から，レーザ動作の励起波長の範囲，最大出力の励起条件，非線形光学損失を含むラマン利得などの様々なレーザ特性の詳細を明らかにすることが可能になり，今後のレーザ性能向上に向けた研究に大いに役立つ成果である．この成果を発表した応用物理学会第78回秋季学術講演会において，PosterAward(2%(25/1191名))を受賞した．
さらに，ナノ共振器Siラマンレーザの応用性を高めるべく，インコヒーレントでブロードなスペクトルを持つ光源を用いたラマンレーザ発振の研究に着手した．1uW以下の超低閾値を持つナノ共振器レーザを作製し，励起効率を上げるために測定系を工夫することによって，シリコンナノ共振器におけるラマン散乱スペクトルを初めて観察することに成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は以下の3点での進展があったと考えている．
成果1. ナノ共振器シリコンラマンレーザの時間領域測定に関する論文の執筆・投稿を行った．
成果2. ラマン散乱光励起（RLE）分光法と呼ばれる新しい利得スペクトル測定手法を用いて，シリコンラマンレーザの利得特性を明らかにした．
成果3. SLD光源(ブロードスペクトル,インコヒーレント)励起でSiナノ共振器におけるラマン散乱スペクトルを初めて観察することに成功した．
成果2に関して，これまでレーザ性能の評価は主に入出力特性だけで行われてきた．一方，前年度までの研究で，励起強度や励起波長によってレーザ発振の振る舞いが異なることが明らかになり，それらを含めたレーザ性能を評価することが重要である．今回提案した手法では，一つの測定法から，レーザ動作の励起波長の範囲，最大出力の励起条件，非線形光学損失を含むラマン利得などの様々なレーザ特性の詳細を知ることが可能になった．成果3に関して，これまで，励起光源には，狭帯域線幅を持つ波長可変半導体レーザを用いてきた．もし，ブロードなスペクトルを持つ励起光源（インコヒーレント光源）を用いて発振させることができれば，励起光源の波長をポンプモードの波長に合わせる作業が不要となる．また，複数のナノ共振器ラマンレーザの一括レーザ発振が可能となり，その応用範囲は飛躍的に高まると考えられる．今年度は，その第一歩として，スーパールミネッセントダイオード（SLD）を励起光源に用いて，ナノ共振器からのラマン散乱スペクトル測定を試みた結果，SLD光源(ブロードスペクトル,インコヒーレント)励起でSiナノ共振器におけるラマン散乱スペクトルを初めて観察することに成功した．
以上を踏まえ，本研究の現在までの進捗は“おおむね順調に進展している”と考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに，このレーザの発振メカニズムを明らかにすることによって，出力の損失要因を特定し，高出力化・高性能化を目指す指針が明らかになってきている．今後は，研究室の他の学生と協力して，高出力化に向けたアプローチを進める．具体的には，共振器体積を大きくすることによる出力の向上を目指す．共振器長を長くすることによる非線形吸収損失の抑制について，共振器長を長くすることによる効果の限界を確認する．また，共振器の幅を広げる，シリコン薄膜を厚くするといった手法にも合わせて取り組む．
また，今年度より引き続き，ラマンレーザの産業応用性を高めるために，ブロードなスペクトルを持つSLD光源でのレーザ発振の実証にも取り組む．サンプル構造と測定系を改善し，現状の50倍程度の励起効率の向上を目指す．SLD光源による励起によって，励起波長選択性，温度安定性，歩留まりの向上を見込んでいる．また，SLD光源でのレーザ発振を実現できれば，Si LEDを利用して，将来的な応用範囲の広い電流注入型レーザを開発できる可能性にも繋がると考えている．
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