【研究分野】物理学一般

【研究領域課題番号】21102008 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子インターフェース / 波長変換 / 量子もつれ / デコヒーレンスフリー部分空間 / Ｗ状態 / ２光子干渉 / Dicke状態 / 量子テレポーテーション / 差周波発生 / W状態 / 単一光子 / クラスター状態 / 量子プロセストモグラフィ / 量子メモリ / 量子中継

【研究成果の概要】

様々な物理系の中で、光は、遠く離れた二地点間で量子情報をやりとりするための通信媒体として使える唯一の物理系である、という独特の役割を担っている。我々は、光の量子的な特性や、その光に載せた量子情報を保存したまま光子の波長を変える量子インターフェースを開発し、変換時の忠実度９０％以上を達成した。これは、様々な物質系の量子情報を、通信用光ファイバーを用いて遠くへ伝送する際に重要となる技術である。また、我々は、通信路における雑音から量子情報を保護する高効率な方法を開発した。実証実験により、この方式は、従来の方式に比べて効率が２桁向上することが明らかになった。

【研究種目】新学術領域研究(研究領域提案型)

【研究期間】2009-07-23 - 2014-03-31

【配分額】106,470千円 (直接経費: 81,900千円、間接経費: 24,570千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】11355004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / 波長変換 / 光パラメトリック効果 / 差周波発生 / 化合物半導体 / 分極反転 / 擬似位相整合 / 分子線エピタキシー / 疑似位相整合 / 光第2高調波発生 / 導波路型デバイス / 非線形工学

【研究成果の概要】

1.GaAs/AlGaAs非線形光学デバイスの性能予測と最適設計 DWDMフォトニックネットワークのOXC用波長変換デバイスを念頭において,1.55μm帯DFGデバイスの最適設計をおこなった。その結果,SHG規格化変換効率にして700%/W/Cm^2もの高効率でかつ偏波無依存の変換が達成でき,100mWのポンプ光入力に対して10mmのデバイスで約30%の効率が得られること,3dB帯域幅は40nmと十分実用的であることを示した。また,GaAsOPG・OPA・OPOは,QPM周期数μm〜十数μmで近赤外から14μmまでの波長領域で動作可能で,他の誘電体結晶ではアクセス不可能な赤外域で動作する画期的なデバイスが実現できることを示した。
2.GaAs/AlGaAs QPMデバイスの作製プロセス 副格子交換エピタキシーをデバイス品質の結晶成長技術としてほぼ完成させ,これと合わせてMBE, MOVPEによるドメインデューティ比保存成長条件の特定,CMPなどによる平坦化技術とともに,デバイス作製プロセスを開発した。
3.AlGaAs QPM DFG素子の作製と評価 プロトタイプデバイスとして,1.55μm帯DFGに対する3次QPM条件AlGaAsリッジ導波路デバイス(QPM周期6μm)を作製した。平坦化はウェットエッチングによっておこなった。QPM SHGが達成され,伝搬損失を考慮すると妥当な変換効率が得られた。CMPによる平坦化によって導波損失を低減し,かつ1次QPM条件を満足するデバイスを作製し,大幅に伝搬損失を低減できることが確認できている。現在,最適化した導波路デバイスでの波長変換実験を進めている。
4.GaAs QPM光パラメトリック素子 GaAs導波路型QPM光パラメトリック素子のプロトタイプを作製した。現在,作製した素子を用いてNd : YAGレーザポンプ光に対するパラメトリック蛍光の実験を進めている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】36,610千円 (直接経費: 35,200千円、間接経費: 1,410千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】08405002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / 波長変換 / 光第2高調波発生 / 化合物半導体 / 分極反転 / 副格子交換 / 疑似位相整合 / アンチフェイズドメイン / 差調波発生 / 差周波発生

【研究成果の概要】

1. 分極反転エピタクシーの実証
GaAs/Si/GaAs(100),GaAP/Si/GaP(100),GaAs/Ge/GaAs(100),GaAs/Ge/GaAs(111)の系についていずれも分極反転エピタクシーが実現できることを実証した。MBEを用いた結晶成長で再現性良く分極反転を実現できる条件を見出した。分極反転の確認にはRHEEDと異方性エッチングが有効であった。
2. 分極反転エピタクシャル膜の評価
反射SHG測定によって分極反転エピタクシー法で成長したエピ膜の非線形光学定数の符合が確かに反転していることを確認した。また,X線定在波法によっても分極反転の有無が確認できることを示した。XTEM観察によってアンチフェイズドメインの挙動を観察することに成功し,RHEED観察の結果とあわせて,副格子交換のメカニズムを解明することができた。さらに興味深い現象として,GaAs/Ge/GaAs(111)において現状では異常な(111)Σ3粒界が存在することがXTEM観察によって判明した。
3. 周期分極反転構造の作製
GaAs/Ge/GaAs(100)系分極反転エピタクシーの手法を用いて周期的分極反転構造AlGaAsデバイスを作製する方法を考案した。成長の初期過程でアンチフェイズドメインが発生してもデバイス部に影響を与えることなく成長がおこなえる点が大きな特徴である。MBEによる再成長によって非常に良質な周期分極反転構造を作製することに成功した。現在,この技術を用いて導波路型波長変換デバイスの試作をおこなっているところである。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1998

【配分額】41,700千円 (直接経費: 41,700千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】08650045 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / 波長変換 / 光第2高調波発生 / 差周波発生 / 半導体量子井戸 / 非対称構造 / 励起子共鳴

【研究成果の概要】

1.参照用試料(GaAs)の評価
AlGaAs量子井戸の非線形光学特性の評価時に用いるGaAsの非線形光学定数の絶対値を最初に測定した。発振波長1.533μmのDFBレーザを基本波光源としてSHG法によって絶対測定をおこない,d_<36>=119pm/Vという結果を得た。
2.電場印加AlGaAs量子井戸の評価
バルクGaAsとのSHG相対測定によって電場印加AlGaAs非対称量子井戸の非線形光学定数の測定をおこなった。測定に用いた試料はGaAs(100)基板上に成長した多重量子井戸で,Al_<0.18>Ga_<0.82>As井戸層(井戸幅10nm)とAl_<0.30>Ga_<0.70>As障壁層(障壁層幅5nm)とを47周期積層したものである。基本波光源としてFP型GaInAsPレーザにグレーティングフィードバックをかけた外部共振器型の波長可変半導体レーザを用いて,励起子順位からのdetuning(ΔE=E_<ex>-2hw)と試料に印加する電場(E_<bias>)とをパラメータとして測定をおこなった。測定の結果,ΔE=9.9meV,E_<bias>=59kV/cmで最大d_<15>=16pm/Vというかなり大きな値が得られた。しかしながら,これは単一量子井戸についておこなわれた理論計算の結果(d_<15>=60pm/V)よりも小さく,理論計算で無視していた井戸間の相互作用が影響しているものと考えられる。
以上の研究を通じて、非対称構造半導体量子井戸の近赤外域での2次非線形光学特性を初めて定量的に評価することができた。今後は,光通信への応用を念頭に置いて差周波発生の実験をおこなっていきたいと考えている。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1996

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)