半導体の結晶特性と非線形光学効果による遠赤外光発生機構

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これまで半導体GaP結晶を用いて光-フォノン相互作用に基づく遠赤外光発生の研究を行い、結晶性および結晶サイズが発生機構に影響を及ぼすことを確認している。本研究では、結晶性・非線形光学効果・導波路構造の観点に基づきフォノンの挙動を理解し、半導体結晶特性と非線形光学効果による遠赤外光発生機構の解明を目的としている。今年度は、遠赤外光閉じ込めが可能な導波路構造の作製および差周波混合における高効率遠赤外光発生について検討した。遠赤外光の2次元方向閉じ込めが可能な導波路構造としてリブ型およびフォトニック結晶導波路構造に着目した。半絶縁性GaP結晶を用いてフォトジングラフィーおよび誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング(ICP-RIE)により各種導波路構造を形成する。リブ型導波路については、厚さ350μmのGaP基板に対して、リブ高さ200μmおよびリブ幅1mm〜200μmの構造を作製した。フォトニック結晶導波路として、直径160μmの空気円柱が格子定数200μmの三角格子配列した構造に対し、1列のみ格子配列を除いた線欠陥を導入することにより遠赤外光に対する導波路構造とした。作製した導波路構造を用いて、波長1μm帯の近赤外光を用いた差周波混合による遠赤外光発生特性の検討を行った。リブ導波路から発生した周波数位置は、導波路断面積が減少するに従い高周波数側ヘシフトした。これは導波路断面積に依存して実効屈折率が変化し、それにより位相整合条件が変化するためである。遠赤外光の発生効率は、リブ型断面積の縮小に伴って増加し、リブ幅200μmの構造においてバルクGaP結晶と比較しておよそ9倍に向上した。次に、線欠陥を導入したフォトニック結晶導波路対して遠赤外光発生を検討したところ線欠陥導波路特有の伝搬モードに基づく発生を確認した。これはリブ型導波路ではみられないフォトニック結晶導波路特有の現象である。