【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】25247068 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報 / 量子光学 / 量子通信 / 量子コンピューター / 量子暗号 / 冷却原子 / 波長変換 / 非線形光学 / 量子情報処理 / エンタングルメント / 量子媒体転送 / 多体量子系 / 量子ネットワーク / 量子エレクトロニクス

【研究成果の概要】

量子情報処理実現に欠かせない「異種多体系間のインターフェース技術」の基盤技術の開拓のため、①光子の量子ビットと原子の量子ビットの間の転送、②伝送路の光位相雑音とビットエラーの高効率除去、③多体エンタングルメント構成法および新しい利用法の理論的提案を行った。概ね予定通りあるいは予定以上の結果が得られた。出版論文はNature Photonics、Scientific Reports、New Journal of Phys.、Phys. Rev. Aなど20件、国際会議は招待講演11件を含む43件、国内学会は招待講演6件を含む52件であり、新聞報道および多数のネットニュースによる報道があった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】43,680千円 (直接経費: 33,600千円、間接経費: 10,080千円)

【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】21656016 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコンフォトニクス / 非線形光学 / 波長変換 / 光集積回路 / フォトニック結晶 / 歪シリコン / 表面・界面 / 光導波路

【研究成果の概要】

1.対称性による歪シリコン細線導波路の非線形性に関する考察
歪導入SiとSi表面のの対称性に関する議論より,波長変換に活用可能な配置を特定した。実用上は,(100)基板上<011>方向伝搬の配置がもっとも望ましいことがあきらかとなった。
2.歪シリコンの2次非線形光学特性に関する理論計算
(100)SOI基板上に作製したシリコン細線導波路(伝搬方向//[011])に導入されるであろう不均一歪に起因する2次非線形光学効果の大きさを理論計算により定量的に見積もった。歪Siクラスタに対する分子軌道計算(CNDO法)の結果,導入される歪量に対して1乗で増加する成分とほぼ2乗に比例する成分とがあることがわかった。これらは歪導入方向に対する対称性の違いに起因する。また,有限要素法を用いた応力歪分布の計算より求めた現実的に導入可能な歪量の見積りと組み合わせて検討をおこない,位相整合可能な成分として最大でサブpm/V程度の非線形発現が可能であることをあきらかにした。また,実際に作製したSi細線導波路に意図せず導入された歪の分布を計算し,その非線形光学特性を理論計算した。その空間分布と位相整合可能性の考察とから,扁平HIC導波路構造に歪を導入することでHIC-BPMの手法を用いた位相整合可能なx^<(2)>成分が発現することを初めて示した。
3.シリコン細線導波路における非線形性に関する実験的評価
上記計算に基づいた設計に従って作製したシリコン細線導波路チップをを用いて,その波長変換特性評価をおこなったところ,現有の測定装置の検出限界以下の出力し得られていないことがあきらかとなった。これは,今回用いたシリコン細線導波路には意図的に大きな歪を導入していないためで,上記の理論計算の結果と照らし合わせて矛盾のない結果であるといえる。今後は,SiN層装荷などの手法によって積極的に歪を導入したデバイスで研究を進めていく必要がある。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2009 - 2010

【配分額】3,200千円 (直接経費: 3,200千円)

【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】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】06650047 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

非線形光学 / 半導体 / 第2高調波発生 / 波長変換 / エリプソメトリ

【研究成果の概要】

1.反射第2高調波エリプソメトリの開発
本研究で提案した反射第2高調波エリプソメトリと,基本波と第2高調波の波長での通常のエリプソメトリ測定を組み合わせることによって,申請者の予測した通りに,単一の試料を用いて膜厚・線形屈折率の実部と虚部・非線形光学定数の実部と虚部とを同時に決定することができること示した。バルク試料としてはGaAs単結晶基板,薄膜試料としてはAlGaAs/GaAsに対して基本波光源としてNd:YAGレーザを用いて実験をおこない,理論解析の結果とを比較することによって本手法の有効性を実証することができた。
2.半導体薄膜の非線形光学定数の評価
反射第2高調波エリプソメトリの手法を幾つかの新しい非線形光学半導体材料の評価に適用した。GaAs基板上に成長したAl_<0.2>Ga_<0.8>AsとGaP基板にイオン照射をおこなって作製した非晶室GaP,六方晶系のSiC,Si基板上に成長した立方晶β-SiCについて,その非線形光学定数を決定することに初めて成功した。
これらのデータは,今後の化合物半導体を用いた高性能波長変換素子の研究・開発に欠くことのできない重要な基礎データとなるものと確信している。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1994

【配分額】2,000千円 (直接経費: 2,000千円)

【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】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)

【研究分野】物理計測・光学

【研究領域課題番号】63850012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

有機結晶 / 非線形光学 / 波長変換 / 第2高調波発生 / 半導体レ-ザ / 導波路 / 微細加工 / 有機非線形材料 / 光第2高調波 / 半導体レーザ

【研究成果の概要】

1.有機非線形光学結晶の総合的評価法の確立: 有機結晶の波長変換性能を評価するために、分子の非線形分極率、結晶の非線形光学定数の正確な理論計算法を確立し、その理論計算を組み入れた総合的な材料探索・評価法を新たに提案した。評価法の一環として、半導体レ-ザを光源とした非線形光学定数の測定法の開発も行った。
2.チェレンコフ放射方式光第2高調波発生の理論解析: 導波路型波長変換素子に対して最も適した材料の特性と、導波路の最適構造パラメ-タを明確にするために、チェレンコフ放射方式光第2高調波発生の理論解析を行った。この結果、特定の材料に対する導波路パラメ-タの最適化だけでなく、高効率波長方換に最適な材料の設計へのフィ-ドバックも可能となった。
3.有機非線形光学結晶を用いた導波路素子の作製技術の開発: 有機非線形光学結晶を用いた導波路作製法として、従来からのブリッジマン法による融液からのファイバ-の作製法に加えて、溶液からの導波路作製法を新たに考案した。さらにチャンネル型導波路作製技術の一環として、水溶性無機レジストとO_2ーRIEによる有機結晶の微細加工技術の開発に成功した。この方法は多くの有機結晶に適用可能な汎用性の高い技術である。
4.有機非線形導波路素子による半導体レ-ザ光の波長変換の実現: 実際に作製したスラブ型、チャンネル型、ファイバ-型導波路を用いて半導体レ-ザ光の第2高調発生によるブル-光の発生を実現した。さらに、得られた第2高調波の集光特性についても検討を加えた。
以上の研究成果によって、半導体レ-ザ光の高効率波長変換用の導波路型有機非線形光学素子の実用化へ向けて多くの重要な指針を示すことができたものと考える。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1988 - 1990

【配分額】19,900千円 (直接経費: 19,900千円)