Elucidation of internal absorption loss for high-Q silicon nanocavities and the development of novel functional optical devices

阐明高Q硅纳米腔的内部吸收损耗和新型功能光学器件的开发

• 批准号: 21H01373
• 负责人: 高橋 和
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University (2022-2023)Osaka Prefecture University (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01373/
• 关键词: 高Q値ナノ共振器; シリコンフォトニクス; シリコンラマンレーザ; 欠陥; 高Q値微小共振器; フォトニック結晶; カソードルミネッセンス

研究初年度は、当初計画に従って、シリコンナノ共振器の吸収損失の正体と消去メカニズムの解明を、近赤外低温カソードルミネッセンスによる欠陥分析、欠陥を消去する熱処理の最適化、顕微分光測定によるデバイス評価を三位一体で行い進めた。その結果、主要な3つの研究テーマ、①動作波長の短波化、②Q値向上、③CMOS互換プロセスで作製されたデバイスの機能拡張において、着実な進歩が得られた。①初年度より、1.2 um帯においてシリコンラマンレーザ発振を確認することができた。これは、シリコンラマンレーザの最短波長となる。1.5 um帯のラマンレーザよりもQ値が低かったにも関わらず、同等の低い閾値が得られた。ラマンレーザの動作波長を短くすると、高性能化が可能なことが実証できた。当初計画を上回り、1.08 umで動作する高Q値ナノ共振器を作製して、2万以上のQ値を得た。シリコンのバンドギャップよりも高いエネルギーにおいて、1万以上の高Q値が得られたことは、シリコンフォトニクスの新たな可能性として重要である。②ナノ共振器の最高Q値である1100万の更新はできなかった。しかしながら、熱処理を最適化することにより、CMOS互換プロセスで作製したナノ共振器の最高Q値を、250万から350万に更新することができた。大量作製が可能なCMOSプロセスで作製したナノ共振器でもこれほど高いQ値が得られたことにより、シリコンナノ共振器の応用が進むだろう。③CMOS作製したシリコンラマンレーザの閾値も、熱処理を最適化することにより、従来の半分まで低減できた。レーザ発振するサンプルも、歩留まり50%以上で得られた。ラマンレーザの実用化研究を加速させる成果である。予想以上に研究が進んだため、CMOS作製したシリコンナノ共振器の応用範囲を広げるために、産業界で大きな問題となっている空間電荷を検知する研究を進めた。

In the initial phase of the study, the original plan was to optimize the absorption loss of the resonator, eliminate the absorption loss, analyze the absorption loss, optimize the absorption loss, and optimize the absorption loss of the resonator. The results of the study are as follows: ① Shorter operating wavelength; ② Higher Q value; ③ Functional expansion of CMOS switching system; and 1. In the beginning of the year, 1.2 um band was used to confirm the vibration. The shortest wave length of the wave is the shortest wave length of the wave. 1.5 u m High performance is possible with shorter operating wavelengths. The original plan was to increase the Q value of the resonator to 1.08 um, and the Q value of more than 20,000 was obtained. High Q values of more than 10,000 have been obtained from the new possibilities of high Q values and high Q values.② The highest Q value of the resonator is In addition, the highest Q value of a resonator manufactured on a CMOS interchange platform can be updated from 2.5 million to 3.5 million. A large number of CMOS resonators can be manufactured. The resonator can be used in a variety of ways. 3. CMOS manufacturing process: threshold value, heat treatment optimization, half time reduction More than 50% of the total number of employees in the company will be employed. The research on the application of the new technology is accelerating. It is expected that the above research will be carried out in the field of CMOS manufacturing, space charge detection and other industrial problems.

项目成果

イオン空間電荷からシリコンフォトニック結晶へのキャリア流入

载流子从离子空间电荷流入硅光子晶体

• 发表时间: 2022
• 作者: 東口 岳樹;高橋 友基;藤本 正直;菊永 和也;高橋 和
• 通讯作者: 高橋 和

Sub-100-nW-threshold Raman silicon laser designed by a machine-learning method that optimizes the product of the cavity Q-factors

• DOI: 10.1364/oe.423470
• 发表时间: 2021-05-24
• 期刊: OPTICS EXPRESS
• 影响因子: 3.8
• 作者: Kawakatsu, Taro;Asano, Takashi;Takahashi, Yasushi
• 通讯作者: Takahashi, Yasushi

隣接導波路に高効率出力するシリコンラマンレーザの設計

邻近波导高效输出的硅拉曼激光器设计

• 发表时间: 2021
• 作者: 齋藤 雄樹;高橋 和
• 通讯作者: 高橋 和

シリコンフォトニクスを用いた静電気検知～宇宙産業における事故の防止に向けて～

使用硅光子学进行静电检测 - 防止航天工业事故 -

• 发表时间: 2021
• 期刊: クリーンテクノロジー
• 作者: 高橋友基;保田賢志;高橋和
• 通讯作者: 高橋和

Ionized Air Detection Using a Silicon Photonic Crystal Waveguide

使用硅光子晶体波导进行电离空气检测

• 发表时间: 2021
• 作者: Masanao Fujimoto;Yuki Takahashi;Kazuya Kikunaga;and Yasushi Takahashi
• 通讯作者: and Yasushi Takahashi