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えいしろうあさま
5 years ago
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1 2014年2月19日ここまで来たフォトニック結晶技術光を自在に制御することを夢見て京都大学工学研究科野田進１フォトニック結晶について２初期のフォトニック結晶研究状況３結晶そのものの開発から様々な光制御の実現まで４最近の研究進展の例含フォトニック結晶レーザ５ ACCELプログラム６まとめと展望

1. フォトニック結晶周波数 0.3 0.2 0.1 FREQUENCY[c/a] 0.

2 1. フォトニック結晶周波数 FREQUENCY[c/a] 次元フォトニック結晶 0 X J 波数 3 次元フォトニック結晶 FREQUENCY[c/a] 周波数 X U L X W' K' W X' K L K'' X' 波数

3 2. 初期のフォトニック結晶研究状況 1990 年代前半はほぼ絵に描いた餅状態 1. ナノスケールで制御された多次元周期構造の実現が極めて困難であったこと光波長域においてフォトニック結晶は存在しなかった 2. 具体的にどのようにフォトニック結晶を光制御に活用していくかも明らかでなかった結晶開発そのものからスタート開発した結晶を用いてフォトニック結晶によってどのような光機能が具体的に得られるかを 1 つ 1 つ示していくこと

4 3. 結晶開発とそれによる様々な光制御の実現結晶開発 GaAs (or InP) AlGaAs (or InGaAsP) GaAs (or InP) 基板. (a) 結晶成長 (b) ストライプの形成 (c) ウエハ融着 (d) 不要基板の選択的除去 (e) 光干渉法を用いた精密位置合わせと結晶形成. さらに (c), (d) の繰り返しによる多層立体構造形成ナノスケール (<50nm 以下の揺らぎ ) での積み木細工

5 位置合わせ結晶積層装置開発試料ホルダー全体像

NIR CCD cameras 画像解析による位置ずれの検出 OFF 自動位置合わせ結果 ON Two-field microscope Sample stage (Fixed)

(Control of Piezo Voltage) Lamp Measured positional error (nm) 300 200 100 0-100 Initial

count (times) I. レーザビーム回折法 Laser Beam II.

6 NIR CCD cameras 画像解析による位置ずれの検出 OFF 自動位置合わせ結果 ON Two-field microscope Sample stage (Fixed) Sample stage (Piezo Actuation) Load sensor Z-axis stage Samples Diffuser Computer X-Y- 位置ずれ補正 (Control of Piezo Voltage) Lamp Measured positional error (nm) Initial error ~ 200 nm x-direction x 方向 y-direction y 方向 Convergence with < 50 nm Repeat count (times) I. レーザビーム回折法 Laser Beam II. パターン認識法 4µm Change of Relative Position Pattern A Pattern B Ref. (Overlapped) -2th -1th 0th +1th +2th Observing the Diffraction Pattern 8.00 m 8.05 m 100 m

7 3次元結晶の開発透過測定 =0º =30º =40º m m nm 反射率透過率 =0º =10º =20º 反射測定 m 波長 (nm) m S. Noda, et al., Science 289 (28 July 2000) 604

フォトニック結晶による様々な光制御へ発光制御の実現 2 次元フォトニック結晶への展開ナノデバイス実現 λ 7 λ 6 λ 5 λ 4 λ 3 λ 1 λ 2 10 m λ=1550.

Fujita, Noda, et al, Science 308,1296 (2005). Noda, Science 314, 260 (2006).

Takahashi, Noda, et al, Nature Materials 8, 721 (2009). 1541.0 nm 1535.9 nm 1530.8 nm 1524.0 nm 1517.

8 フォトニック結晶による様々な光制御へ発光制御の実現 2 次元フォトニック結晶への展開ナノデバイス実現 λ 7 λ 6 λ 5 λ 4 λ 3 λ 1 λ 2 10 m λ= nm 250 m nm 完全結晶部では発光の抑制欠陥部分では発光の増強 Ogawa, Noda, Science 305, 227 (2004). Fujita, Noda, et al, Science 308,1296 (2005). Noda, Science 314, 260 (2006). Noda, et al, Nature Photonics 1, 449 (2007) Ishizaki and Noda, Nature 460, 367 (2009). Takahashi, Noda, et al, Nature Materials 8, 721 (2009) nm nm nm nm nm 従来の 1/10,000 以下のサイズのデバイス Noda, et al, Nature 407, 608 (2000). Song, Noda, et al, Science 300, 1537 (2003) Noda, Science 314, 260 (2006). Noda, et al, Nature Photonics 3, 129 (2009).

極微小領域への光閉じ込め大面積での光の制御 Shift Tuning of air holes 410nm

光の波長程度の領域に極めて強い光閉じ込めの実現 Akahane, Noda, Nature 425,

Noda, et al, Nature Photonics 1, 449 (2007).

大面積コヒーレントレーザの実現 Noda, et al, Science 293, 1123 (2001).

9 極微小領域への光閉じ込め大面積での光の制御 Shift Tuning of air holes 410nm 420nm 410nm Photonic double hetero cavity Q>9,000,000 光の波長程度の領域に極めて強い光閉じ込めの実現 Akahane, Noda, Nature 425, 944 (2003). Asano, Noda, Nature 429, doi: (2004). Song, Noda, Nature Materials 4, 207 (2005). Noda, et al, Nature Photonics 1, 449 (2007). Takahashi, Noda, et al, Nature 498, 470 (2013). 大面積コヒーレントレーザの実現 Noda, et al, Science 293, 1123 (2001). Miyai, Noda, et al, Nature 441, 946 (2006). Matsubara, Noda, Science 319, 445 (2008). Kurosaka, Noda, Nature Photonics 3, 129 (2009)

10 研究を通じて見えてきた自在な光制御 i) フォトニックバンドギャップ欠陥エンジニアリングフォトニックバンドギャップ : 光の存在発光の禁止点欠陥 : 光の局在発光の増強 --- ナノ共振器線欠陥 : 局所域での光の伝播 --- ナノ導波路高効率発光デバイス ( 固体照明等 ), ナノレーザ, 光回路, 量子演算チップ, バイオセンサー ii) バンド端エンジニアリング ( バンドの特異点での光制御 ) バンド端における定在波状態の形成 --- 大面積光制御大面積レーザ太陽電池応用各種非線形応用 iii) バンドエンジニアリングユニークな分散特性 --- 光の進行方向の変換, 光の速度変換光バッファー, 分散制御, 太陽電池応用

11 4. 最近のフォトニック結晶の進展例 1.3 次元光伝播の実現 ( 究極の光チップへ ) 2. ナノ共振器を利用したシリコンレーザの実現 ( シリコンフォトニクスの新展開 ) 3. 熱輻射制御 ( 高効率太陽光発電に向けて ) 4. 大面積光制御によるユニークなレーザの進展高出力高効率動作光ピンセット光ビーム走査 (ACCEL につながる成果 )

12 3 次元光伝搬の実現 3 次元フォトニック結晶 Output 10 m ( 顕微鏡写真 ) 直角曲げ構造 Output 10 m Input ( 光出力イメージ ) ( 電子顕微鏡写真 ) Input

13 シリコンレーザの実現共振波長 1435 nm 励起 1435 nm ラマン散乱の増強 1550 nm ラマンシフト 15.6 THz 64 mev 520 cm -1 ラマン散乱による光増幅作用の増強

14 シリコンレーザ発振発振直前発振直後室温でどの材料系よりも最も低い閾値で動作 Nature (Takahashi, Inui, Asano, Noda, et al) (June 27, 2013)

) 地球上太陽光スペクトル太陽光スペクトルを変換輻射パワー (a.u.) 人工物質によって狭帯域化したスペクトル 0.5 1.0 1.5 2.0 2.

15 熱輻射制御の実現通常物体からの熱輻射スペクトルは広く極めてエネルギー効率が悪い例えば太陽光の場合スペクトルが広すぎて太陽電池で効率良く光電変換できない太陽電池で有効に使われるスペクトル範囲太陽電池で有効に使われるスペクトル範囲輻射パワー (a.u.) 地球上太陽光スペクトル太陽光スペクトルを変換輻射パワー (a.u.) 人工物質によって狭帯域化したスペクトル波長 ( m) レンズ熱輻射制御デバイス波長 ( m) 太陽光狭帯域輻射太陽電池 Nature Photonics (Menaka, Noda, et al) (2012)

16 大面積光制御によるユニークなレーザの進展ーフォトニック結晶レーザー (ACCEL につながる成果 ) フォトニック結晶レーザの特徴原理的にどのような大面積でも単一モード発振が可能高出力( 面発光 ) 動作従来にない新機能( オンデマンドなビームパターン電子的ビーム走査等 ) をもつ

17 デバイス構造面発光領域電極 B A クラッド層フォトニック結晶電子ブロック活性層クラッド層電極基板 -X -M

18 動作原理

19 原理的にどのような大面積でも単一モード動作可能面発光動作面内光結合

20 バンド端エンジニアリング Frequency (c/a) X M X X D C B A バンド端 M k // k //

21 レーザ発振後の近視野像とレーザスペクトル ~150 m 角でのコヒーレント発振の実現 ( 通常の 1,000 倍以上の出射面積 )

22 ビームパターン面発光面内光結合

23 ビームパターン制御位相シフト位相シフト y 位相シフト Phase shift x + Max. 0 - Max. 位相シフト位相シフト遠視野での干渉状況の変化様々なビームパターンの生成が期待

24 結晶構造の操作とビームパターン 287nm m 29.2 m 29.2 m

25 2 種類のドーナツビーム 1º :Polarization 接線方向偏光 :Polarization 径方向偏向

26 接線方向偏光ドーナツビームの応用光ピンセット動作不透明物質 ( 金属等 ) の操作が可能に Doughnut Conventional

27 径方向偏光ドーナツビームの応用微小集光が可能に高い NA レンズ. 集光点で残る成分非常に小さなスポットへの集光が期待

28 結晶構造の操作とビームパターン 287nm m 29.2 m 29.2 m 28

29 格子点構造の変調による量子効率向上 PEAK POWER (mw) (pulse 500ns, 1kHz) Rectangular triangle triangle CURRENT (ma) Circle 29

30 高出力動作実現に向けて結晶成長によるフォトニック結晶構造の埋め込み光出力 y x Active layer y x 上面図断面図 200 nm 200 m 角デバイスで室温連続 (CW) 状態で世界最大の光出力を達成 x z y 30

31 5.ACCEL プログラムさらなる高出力化においても安定な単一モード動作を可能にするデバイス構造の探索 ( 格子点形状の最適化等 ) 面積を現状の 200 m 角から 500 m~1mm 角に拡大しつつ光出力を現状の 10 倍以上に増大するさらに合波デバイスの開発を行うフォトニック結晶レーザならではの新しい機能の追及日本のものづくり ( 光製造 ) への貢献半導体レーザそのものの概念の変革へ

32 6. まとめと今後の展開 21 世紀を支える光 ( フォトン ) を自由自在に操るフォトニック結晶フォトニックナノ構造技術超効率発光デバイス ( 固体照明等 ) Si フォトニクスの新しい展開光の超高速性量子性を活かした通信情報技術全光回路 ( 電子素子から光素子へ ) 高効率太陽光発電 ( 熱輻射制御含め ) ものづくり日本への貢献半導体レーザ概念の変革に至るまで様々な貢献が期待

1 マイクロワット閾値を持つシリコンラマンレーザー大阪府立大学大学院工学研究科電子物理工学分野准教授高橋和

1 マイクロワット閾値を持つシリコンラマンレーザー大阪府立大学大学院工学研究科電子物理工学分野准教授高橋和 1 マイクロワット閾値を持つシリコンラマンレーザー大阪府立大学大学院工学研究科電子物理工学分野准教授高橋和発明の概要世界最高 Q 値を達成しているヘテロ構造ナノ共振器を用いてマイクロワット閾値をもつシリコンラマンレーザーを作製したレーザー素子はシリコン (001) 基板に穴をあけるだけで作製でき素子サイズは 10 ミクロン程度である従来の結晶方向から 45 度傾けてデバイスを作製