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。

第一年的研究，按照原计划，我们将阐明硅纳米腔吸收损耗的本质和消除机制，利用近​​红外低温阴极发光分析缺陷，优化热处理消除缺陷，以及使用显微光谱法评估设备这是一致进行的。因此，三个主要研究主题取得了稳步进展：(1) 缩短工作波长，(2) 提高 Q 值，以及 (3) 扩展使用 CMOS 兼容工艺制造的器件的功能。 ① 从第一年开始，我们就能够确认1.2 um波段的硅拉曼激光振荡。这是硅拉曼激光器的最短波长。尽管 Q 值低于 1.5 um 拉曼激光器，但获得了同样低的阈值。我们能够证明，可以通过缩短拉曼激光器的工作波长来提高性能。超出了最初的计划，我们制造了一个工作在 1.08 um 的高 Q 值纳米谐振器，实现了超过 20,000 的 Q 值。我们能够在高于硅带隙的能量下获得超过 10,000 的高 Q 值，这一事实对于硅光子学的新可能性来说非常重要。 ② 无法更新纳米谐振器的最高Q值1100万。然而，通过优化热处理，我们能够将使用 CMOS 兼容工艺制造的纳米谐振器的最大 Q 值从 250 万更新到 350 万。即使使用可大批量制造的 CMOS 工艺制造的纳米谐振器也能获得如此高的 Q 值，这一事实可能会推动硅纳米谐振器的应用。 ③通过优化热处理，CMOS制造的硅拉曼激光器的阈值也降低到传统激光器的一半。还获得了能够进行激光振荡的样品，产率超过50%。这一成果将加速拉曼激光器实际应用的研究。随着研究进展超出预期，我们继续研究空间电荷检测这一工业界的重大问题，以扩大CMOS制造的硅纳米腔的应用范围。

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