【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】23360028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / MBE，エピタキシャル / 波長変換 / キャリア注入 / 副格子交換エピタキシー / 高性能レーザー / 導波路デバイス / 疑似位相整合 / 先端光デバイス / 半導体集積回路 / 先端機能デバイス / MBE,エピタキシャル

【研究成果の概要】

光学的非線形性を有する半導体材料を用いたレーザー光波長変換デバイスの高性能化に取り組んだ。周期空間反転GaAs/AlGaAsを用いた疑似位相整合（QPM）導波路素子の高効率化へ向けて，素子作製条件の最適化をおこなって伝搬損失の低減を図り，これまでで最小の伝搬損失（1.3 dB/cm @ 1.55 um）を実現した。電流注入AlGaAs QPM素子について初めてシミュレーションをおこない，現実的な電流注入条件の下で正味の利得が実現できること，その結果，極めて高い変換効率が達成可能であることを明らかにした。周期反転GaAs pn接合素子を初めて作製し，その電気特性，光学特性の評価をおこなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】20,540千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 4,740千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】19206011 (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 / 半導体レーザ / 擬似位相整合 / 化合物半導体 / 分子線エピタキシー / シリコンフォトニクス / 疑似位相整合 / エピタキシャル成長 / 集積回路 / 光機能素子

【研究成果の概要】

副格子交換エピタキシー技術をベースにしたGaAs/AlGaAs 導波路型QPM 波長変換デバイスの高品質化に成功し,最低損失2.7 dB/cm(GaAs 導波路@1.55 μm),SHG最高変換効率34 %/W(2.96 mm 長Al_<0.5>Ga_<0.5>As 導波路@1.55 μm 基本波)を達成した。低温MBE再成長がキーテクノロジーであるが,さらなる高性能化のためには(111)A 面欠陥と組成変調の発生を今後克服する必要がある。HIC-BPM,ZQPM,TQPM といった新規位相整合法を取り入れたAlGaAs 導波路型高性能波長変換デバイスを新たに提案した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2010

【配分額】49,140千円 (直接経費: 37,800千円、間接経費: 11,340千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】14350031 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / 副格子交換エピタキシー / カスケード効果 / 波長変換 / 化合物半導体 / 疑似位相整合 / デバイス作製プロセス / 分子線エピタキシー / モノリシック集積化 / 擬似位相整合

【研究成果の概要】

1.GaAs/AlGaAs導波路作製プロセスの最適化
カスケードデバイスに不可欠な高い変換効率を実現することを目指して,低損失・高効率デバイス作製のためのプロセス最適化をおこなった。CMPによるテンプレートの平坦化について検討をおこない,5nm以下の平坦化を実現することができた。平坦化テンプレート上の最適成長条件も特定した。
2.GaAs導波路デバイスにおけるパラメトリック蛍光
GaAs/AlGaAs周期副格子交換導波路デバイスを用いて1.064μmポンプ光に対するパラメトリック蛍光の観測に成功した。温度チューニング特性は設計どおりで,得られた変換効率は実効相互作用長とコンシステントであった。
3.GaAsアンチフェイズ境界の微視的評価
GaAs周期反転構造におけるアンチフェイズ境界の微視的な幾何学構造と電子構造をあきらかとするために超高圧電子顕微鏡観察とカソードルミネッセンス測定をおこなった。最適化されていない成長条件で作成されたGaAsアンチフェイズ境界は結晶性が劣化しており,非発光性再結合中心の集中した劣悪なものとなっていることがあきらかとなった。
4.InP基板上副格子交換エピタキシーの研究
InP基板上へ化合物半導体疑似位相整合非線形光学デバイスを作製するために,InP基板上副格子交換エピタキシーの実現に取り組み,これを始めて実現した。また,緩和Ge層上に反転GaAsを良好な結晶品質で成長することができることも確認した。
5.GaNの非線形光学定数の精密評価
サファイアc面基板上にMBE成長したGaN薄膜について,その非線形光学定数の精密測定をおこなった。薄膜試料内での多重反射効果を考慮して正確な測定,解析をおこなったところ,従来値の半分程度の大きさが得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】14,900千円 (直接経費: 14,900千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】12750034 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カスケード非線形光学効果 / 超高速光制御 / 超短光パルス圧縮 / 疑似位相整合 / 波長変換 / 超短光パルス / 光スイッチング

【研究成果の概要】

次世代の毎秒テラビット光通信・情報処理や超短光パルス発生・制御においては、全光制御が必須の技術である。本研究では、カスケード2次非線形光学効果を用いた全光スイッチングの基礎特性解明およびその実現を目的とした。特にこれまで行われなかった、フェムト秒光パルスでの動作に焦点を絞った。
まず、BBO非線形結晶におけるタイプ1角度位相整合配置で、フェムト秒光パルスに誘起されるカスケード非線形位相シフトの時間プロファイル等を数値計算および実験により明らかにした。また、カスケード非線形効果を利用した新しい超短光パルス圧縮システムを提案し実現した。カスケード非線形効果特有の負性位相シフトと媒質の正常分散をバランスさせると可能となる、ソリトン的パルス圧縮システムである。計30ミリ程度のBBO結晶を用いて、チタンサファイアレーザーの再生増幅パルス(中心波長800nm)を135fsから45fsへと約3分の1への圧縮を実現した。このシステムのメリットは非常にシンプルであることとエネルギーロスが10%程度と極めて少ないことである。圧縮された光パルスは、Frequency-Resolved Optical Gating法により振幅・位相特性まで特定した。数値計算により、原理的には25fs程度までの圧縮が可能であることを示した。
次に、より高機能なカスケード素子実現へ向け、強誘電体タンタル酸リチウム結晶の分極反転素子を作製し、そのカスケード非線形効果のフェムト秒応答特性を測定した。結晶基板に周期電極をパターニングした後(周期3ミクロン)、電圧印加法によりポーリングを行った。大きな非線形光学定数(15pm/V)と真性非線形屈折率の協力的効果により、大きな正の非線形位相シフトが発生することを確認した。またその大きさと時間プロファイルが位相不整合量により変化する特性も明らかにし、光スイッチング動作への指針を示した。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【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】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)