【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)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】06452126 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / ヘテロ構造 / 波長変換 / 光第2高調波発生 / 有機材料 / 半導体 / 疑似位相整合

【研究成果の概要】

1.半導体系ヘテロ構造の非線形光学特性の評価
GaAs, AlGaAs, GaP, AlGaP, ZnSe,CdTeなどの非線形光学定数の値を正確に測定するとともに,イオン打ち込みによって非晶質化したGaPやβ-SiC/Siについても初めてその非線形光学特性の評価をおこなった。GaPにCa^+イオンを照射して表面部分を非晶質化させると,その非線形光学定数がイオン照射前の約10%に低下することが確認された。また、β-SiC/Siでは,本来SHG活性であるべきSiCがアンチフェイズドメインの形成によって巨視的にはSHG不活性になってしまうというまったく新しい現象を発見した。これらはいづれも,半導体材料の非線形光学特性の人工的な制御の可能性を示唆するものである。
2.有機系ヘテロ構造導波路の作製と波長変換特性の評価
非線形な有機結晶と線形な高分子を交互に並べることで疑似位相整合を達成することができる。有機非線形光学結晶とフッ素化ポリイミドからなる疑似位相整合SHG導波路素子の作製技術を新たに開発することに成功した。この手法は広範囲の有機結晶に適用可能な極めて汎用性の高いものである。この手法で作製したDMNP/ポリイミド周期導波路を用いてTi:サファイアレーザ光のSHG測定をおこない、疑似位相整合が達成されていることを初めて確認した。
3.不規則周期疑似位相整合に関する検討
シミュレイテド・アニーリングの手法を用いて不規則周期疑似位相整合SHG素子の最適設計をおこなう方法を新たに開発し,その結果,大幅な特性改善が可能であることを理論計算によって示した。また,最適設計をおこなった不規則周期分極反転LiNbO_3導波路を実際に作製・評価し,その手法の有用性を実証することができた。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】7,500千円 (直接経費: 7,500千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】05650036 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学定数 / 絶対値スケール / 光第2高調波発生 / 波長変換 / パラメトリック蛍光 / ミラー則

【研究成果の概要】

非線形光学結晶の非線形光学定数の大きさは波長変換素子の効率を決定する極めて重要な物理定数であるにもかかわらず,信用するに足る絶対値スケールが確立されていない。本研究では,いくつかの応用上重要な非線形光学結晶の非線形光学定数の精密な絶対測定をおこなって,正しい絶対値スケールを確立することを目的としておこなわれた。
測定をおこなった結晶は,congruent LiNbO_3,MgO:LiNbO_3(1%,5%),LiTaO_3,KNbO_3,KTP,GaPである。単一縦モード半導体レーザ(波長0.852μm,1.313μm)を基本波光源としたSHG測定によって絶対値を決定した結果を右表に示す。また,アルゴンイオンレーザ(波長0.488μm)とNd:YAG SHGレーザ(波長0.532μm)をパンプ光源としたパラメトリック蛍光測定をcongruent LiNbO_3に対しておこなったところ,上記のSHG測定の結果とコンシステントな値が得られた。これらの結果から以下の2点が明らかになった。
1,従来から標準とされてきた絶対値スケールは正しくなく,多くは真の値よりも大きくなっていた。これは試料内での基本波・第二高調波の多重反射を無視していたためと思われる。
2.異なる波長での測定値を比較する際に用いられてきたMiller則は成り立っていない。MillerのΔは短波長側で増大する傾向がある。したがって,Miller則が成立することを前提として作成されてきた従来の標準値は間違っている。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1993

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)

【研究分野】物理計測・光学

【研究領域課題番号】04555012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / 有機結晶 / 光学2高調波発生 / 波長変換 / 光導波路素子 / 微細加工 / 水溶性無機レジスト / リソグラフィー / 光第2高調波発生 / リソグラフィ-

【研究成果の概要】

1.素子設計
Cerenkov放射型SHG素子を中心に各種の波長変換素子の基本特性に関して詳細な理論解析をおこない,高効率素子を実現するための設計指針を示した。有機結晶の潜在能力を最大限に引き出して利用するためには,擬似位相整合を達成する必要があることがあきらかとなった。
2.素子作製技術の開発
各種の有機非線形光学結晶に対して加工をおこない、有機結晶に適した微細加工技術を確立した。水溶性無機レジスト材料HPAを遠紫外線で露光し,酸素プラズマによる反応性イオンビームエッチングをおこなうことにより,高い精度での加工を実現できることを示した。また,半導体レーザ光の高効率結合を実現するために素子端面の処理法について検討を加え,基板の破断を利用することで良好な入射端面を確保できることを見出した。
3.新規波長変換素子の提案
共振器内の定在波を利用した新しい方式のSHG素子を提案し,その設計をおこなった。また,擬似位相整合方式の最大の弱点である安定性の問題を克服する手段として,シミュレーテド・アニーリングによって最適化した非等周期分極反転構造の導入による広帯域化の手法を新たに提案し,その有用性を実証した。有機結晶を用いた素子にこれらの技術を適用することで,極めて高性能な素子が実現できるものと考えている。
以上の研究を通じて,高性能な波長変換素子を実現するための具体的な戦略を示すことができた。今後は,これらの研究成果に基づいて,実際に素子を作製しその特性評価をおこなっていく予定である。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1992 - 1994

【配分額】20,200千円 (直接経費: 20,200千円)