高屈折率差導波路の大規模解析理論の開発とシリコンフォトニックデバイス設計への応用

厚さ数十nm程度の低屈折率材料を高屈折率材料で挟んだ構造を有するスロット導波路は、その屈折率の不連続により、光を微小な領域に強く閉じ込める事ができることから、非線形光学効果を大きく増強することが可能である。このため、非線形光学効果を用いた光デバイスのデバイスサイズの小型化や省電力化が可能である。非線形光学効果を用いた光デバイスを構成する場合、非線形光学効果の起こりやすさを表す非線形光学係数が大きいだけでなく、動作波長帯域において分散特性が平坦であることが必要である。これまでの研究で、非常に大きな非線形屈折率を有するシリコンナノ結晶をスロット部に導入したスロット導波路について着目し、詳細に非線形特性や分散特性を評価した結果、大きな非線形光学係数を有するだけでなく、幅広い波長帯域にわたって平坦な分散特性を有する構造パラメータを明らかにしてきた。平成24年度の研究では、フォトニック結晶導波路に代表される周期構造導波路において発現するスローライト効果に着目し、スローライト効果を用いてスロット導波路における非線形光学特性のさらなる向上をめざし研究を進めた。具体的には、スロット導波路とフォトニック結晶導波路を組み合わせた新規導波路構造を考案し、本研究で開発した有限要素法に基づく数値解析ソフトを用いて、その光学特性を評価してきた。その結果、これまでに提案してきた単純なスロット導波路と比較して、今回新たに考案した新規構造を用いる事で、一桁程度大きな非線形光学係数を得られる事を明らかにした。

厚さ数十nm程度の低屈折率材料を高屈折率材料で挟んだ構造を有するスロット導波路は、その屈折率の不連続により、光を微小な領域に強く閉じ込める事ができることから、非線形光学効果を大きく増強することが可能である。このため、非線形光学効果を用いた光デバイスのデバイスサイズの小型化や省電力化が可能である。非線形光学効果を用いた光デバイスを構成する場合、非線形光学効果の起こりやすさを表す非線形光学係数が大きいだけでなく、動作波長帯域において分散特性が平坦であることが必要である。これまでの研究で、非常に大きな非線形屈折率を有するシリコンナノ結晶をスロット部に導入したスロット導波路について着目し、詳細に非線形特性や分散特性を評価した結果、大きな非線形光学係数を有するだけでなく、幅広い波長帯域にわたって平坦な分散特性を有する構造パラメータを明らかにしてきた。平成24年度の研究では、フォトニック結晶導波路に代表される周期構造導波路において発現するスローライト効果に着目し、スローライト効果を用いてスロット導波路における非線形光学特性のさらなる向上をめざし研究を進めた。具体的には、スロット導波路とフォトニック結晶導波路を組み合わせた新規導波路構造を考案し、本研究で開発した有限要素法に基づく数値解析ソフトを用いて、その光学特性を評価してきた。その結果、これまでに提案してきた単純なスロット導波路と比較して、今回新たに考案した新規構造を用いる事で、一桁程度大きな非線形光学係数を得られる事を明らかにした。