半導体ナノフォトニクス材料による革新的超小型オールインワン・テラヘルツ波源

本研究は、面内集積型フォトニック結晶導波路を用いた超小型オールインワン・テラヘルツ波源の提案と、その原理実証を目的としている。低群速度かつ低分散の導波モードを有するよう構造設計されたフォトニック結晶導波路に、２つの異なる周波数を持った基本光を導入するフォトニック結晶導波路を結合し、低群速度低分散フォトニック結晶導波路内にて高効率な差周波発生(DFG)を誘起することで、超小型かつ波長可変なテラヘルツ波源への応用を目指している。これまでの成果として、まず、Al(Ga)As薄膜に空孔を周期的に配列した２次元フォトニック結晶の空孔列を除去して形成されるフォトニック結晶導波路において、フォトニック結晶の構造最適化により、２つの周波数の基本光が低群速度かつ低分散となるフォトニック結晶導波路が実現されることを数値シミュレーションにより示した。この２つの基本光から最大約3THzの差周波が実現できることを示しており、この構造に対する有限差分時間領域法による電磁波の伝播シミュレーションから、DFG強度がバルク導波路に比べ、二桁以上増大されることを確認した。さらに、２つの基本光を導入するためのフォトニック結晶導波路を面内集積したフォトニック結晶導波路の設計および数値シミュレーションを行うことで、基本光源とDFG領域を集積したオールインワンのテラヘルツ波源の設計を進めた。その結果、面内集積型フォトニック結晶導波路構造においても、低群速度低分散フォトニック結晶導波路において高効率なテラヘルツDFGを確認できた。今後、この構造設計を基に、高効率テラヘルツ波源の作製および光学評価実験による原理実証をさらに進めていく。

本研究は、面内集積型フォトニック結晶導波路を用いた超小型オールインワン・テラヘルツ波源の提案と、その原理実証を目的としている。低群速度かつ低分散の導波モードを有するよう構造設計されたフォトニック結晶導波路に、２つの異なる周波数を持った基本光を導入するフォトニック結晶導波路を結合し、低群速度低分散フォトニック結晶導波路内にて高効率な差周波発生(DFG)を誘起することで、超小型かつ波長可変なテラヘルツ波源への応用を目指している。これまでの成果として、まず、Al(Ga)As薄膜に空孔を周期的に配列した２次元フォトニック結晶の空孔列を除去して形成されるフォトニック結晶導波路において、フォトニック結晶の構造最適化により、２つの周波数の基本光が低群速度かつ低分散となるフォトニック結晶導波路が実現されることを数値シミュレーションにより示した。この２つの基本光から最大約3THzの差周波が実現できることを示しており、この構造に対する有限差分時間領域法による電磁波の伝播シミュレーションから、DFG強度がバルク導波路に比べ、二桁以上増大されることを確認した。さらに、２つの基本光を導入するためのフォトニック結晶導波路を面内集積したフォトニック結晶導波路の設計および数値シミュレーションを行うことで、基本光源とDFG領域を集積したオールインワンのテラヘルツ波源の設計を進めた。その結果、面内集積型フォトニック結晶導波路構造においても、低群速度低分散フォトニック結晶導波路において高効率なテラヘルツDFGを確認できた。今後、この構造設計を基に、高効率テラヘルツ波源の作製および光学評価実験による原理実証をさらに進めていく。