Title
Ultra-high-Q SiC photonic nanocavities( Abstract_要旨 )
Author(s)
Jeon, Seung Woo
Citation
Kyoto University (京都大学)
Issue Date
2016-03-23
URL
https://doi.org/10.14989/doctor.k19723
Right
学位規則第9条第2項により要約公開; 許諾条件により要約
は2017-03-22に公開
Type
Thesis or Dissertation
Textversion
none
Kyoto University
CORE Metadata, citation and similar papers at core.ac.uk
京都大学 博士（工学） 氏名 田 昇 愚 論文題目 超高 Q 値 SiC フォトニック結晶ナノ共振器に関する研究 （ 論 文 内 容 の 要 旨 ） 本 研 究 は 、 ワ イ ド バ ン ド ギ ャ ッ プ 半 導 体 で あ る 「 シ リ コ ン カ ー バ イ ド (SiC)」 を 材 料 と し た フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 の Q 値 を 大 幅 に 向 上 さ せ る 方 法 を 提 案 し 、 そ の 実 証 を 目 指 し た 検 討 を 行 い 、 従 来 の 値 を 大 幅 に 上 回 る 世 界 最 高 の Q 値 を 実 現 し た 結 果 を ま と め た も の で あ る 。本 研 究 は 、序 論 (第 1 章 )を 含 め て 全 6 章 よ り 構 成 さ れ て い る 。 フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 と は 、 光 の 波 長 と 同 程 度 の 周 期 的 な 屈 折 率 分 布 を も ち 、 光 の 伝 搬 を 禁 止 す る フ ォ ト ニ ッ ク バ ン ド ギ ャ ッ プ (PBG)を 有 す る と い う 特 徴 を も つ 。 さ ら に 、 フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 内 に 人 為 的 な 欠 陥 を 導 入 す る こ と に よ り 、 自 在 な 光 制 御 が 可 能 で あ り 、 例 え ば 欠 陥 を 点 状 に 設 け る こ と に よ っ て 、 大 き さ が 光 の 波 長 程 度 と 非 常 に 小 さ な 共 振 器 が 実 現 で き る 。 近 年 、 フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 の 材 料 と し て Si を 用 い る こ と に よ り 、光 通 信 帯 域 に お い て 、高 い 光 閉 じ 込 め 性 能 数（ Q 値 ）を も つ フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 が 実 現 さ れ て お り 、 光 メ モ リ や 超 小 型 波 長 フ ィ ル タ ー 、 高 感 度 セ ン サ ー 、 高 効 率 非 線 形 光 素 子 な ど へ の 応 用 研 究 も 盛 ん に 行 わ れ て い る 。 そ の 一 方 で 、 材 料 の 電 子 バ ン ド ギ ャ ッ プ に 起 因 す る 根 本 的 な 限 界 も 明 ら か に な り つ つ あ る 。 例 え ば 、 高 Q 値 ナ ノ 共 振 器 に 対 し て 強 い パ ワ ー の 光 を 導 入 す る と 、 二 光 子 吸 収 が 生 じ 、 光 の 損 失 や 共 振 特 性 の 変 化 が 生 じ る こ と も 判 明 し て い る 。 申 請 者 が 所 属 す る 研 究 室 で は 、 こ の 課 題 に 対 応 す る た め 、 ワ イ ド バ ン ド ギ ャ ッ プ 半 導 体 の 一 つ で あ る SiC を フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 の 材 料 と し て 用 い る こ と を 提 案 し 、 従 来 の 材 料 で は 成 し 得 な か っ た 可 視 領 域 を 含 め た 波 長 550～ 1450 nm に 渡 る 超 広 帯 域 動 作 、 多 光 子 吸 収 抑 制 に よ る 従 来 材 料 の 約 100 倍 以 上 の ハ イ パ ワ ー に 対 す る 安 定 動 作 、 第 二 高 調 波 発 生 ・ 和 周 波 発 生 に よ る 波 長 変 換 、 な ど に つ い て 世 界 で 始 め て 実 現 し て い た 。し か し な が ら 、本 研 究 の 開 始 時 点 で は 、SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 の Q 値 は 1 万 以 下 に と ど ま っ て お り 、 よ り 様 々 な 分 野 へ の 応 用 の た め に は 、 さ ら な る Q 値 の 向 上 が 強 く 望 ま れ て い る 状 況 で あ っ た 。 例 え ば 、 第 2 次 高 調 波 発 生 出 力 効 率 は 、 理 論 的 に Q 値 の 二 乗 に 比 例 す る た め 、 超 高 Q 値 SiC 共 振 器 が あ れ ば 超 高 効 率 の 波 長 変 換 素 子 な ど へ の 応 用 が 可 能 で あ る 。 ま た こ の よ う な 超 高 Q 値 SiC 共 振 器 は SiC 内 部 の 結 晶 欠 陥 に 存 在 す る 長 い ス ピ ン コ ヒ ー レ ン ス 時 間 を 持 つ 電 子 状 態 の 量 子 情 報 を 光 学 的 に 制 御 す る こ と に も 利 用 で き る と 考 え ら れ て い る 。 本 論 文 で は 、ま ず 、SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 共 振 器 に 関 す る 設 計 か ら 製 作 及 び 測 定 ま で 、 す べ て の 過 程 を 再 検 討 し 、 そ れ に よ っ て 、 こ れ ま で Q 値 が 1 万 程 度 に と ど ま っ て い た 原 因 を 明 ら か に し て い る 。 さ ら に 、 こ の 分 析 で 引 き 出 さ れ た 問 題 の 解 決 方 法 に つ い て 検 討 し 、 Q 値 を 向 上 さ せ る 方 法 を 提 案 し 、 最 終 的 に 従 来 の ３ ０ 倍 も の Q 値 を も つ 世 界 最 高 の 超 高 Q 値 SiC ナ ノ 共 振 器 の 実 証 に 成 功 し て い る 。 ま た 、 延 い て は 超 高 Q 値 の SiC 共 振 器 に お け る 非 線 形 現 象 に つ い て 考 察 し 、 今 後 SiC 共 振 器 の 応 用 方 向 性 を 提 案 し て い る 。
京都大学 博士（工学） 氏名 田 昇 愚 第 1 章 では 、研 究背景 と して、従来 の SiC フ ォ トニ ック 結晶ナ ノ 共 振 器 に よる 光制 御 の 実 現 例 と 課 題 を 概 観 し た 上 で 、高 Q 値 を達成 す るこ とに より 期待さ れ る効 果に つい て 論 じ ら れ て い る 。 第 2 章 で は、本 研 究 に お い て 議 論 さ れ て い る SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 の 構 造 と 基 本 動 作 に つ い て 述 べ ら れ て い る 。 ま た 、 2 次 元 フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 の 特 性 の 理 論 解 析 手 法 、 試 料 の 作 製 手 法 、 評 価 手 法 に つ い て も 合 わ せ て 述 べ ら れ て い る 。 第 3 章 で は 、従 来 法 に よ り 作 製 さ れ た SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 共 振 器 の 測 定 Q 値 が 1 万 程 度 に 留 ま っ て い た 原 因 に つ い て 考 察 さ れ て い る 。 詳 細 な 検 討 を 行 っ た 結 果 、 従 来 透 明 (無 損 失 )で あ る と 考 え て き た 、フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 を 形 成 し て い る SiC そ の も の に 光 吸 収 が 存 在 し て い る こ と が Q 値 低 下 の 主 要 因 で あ る こ と を 明 ら か に し て い る 。 さ ら に 、 SiC に 光 吸 収 が 発 生 し た 原 因 を 調 べ る た め に 、 SiC の 光 ル ミ ネ セ ン ス を 測 定 す る な ど の 評 価 を 行 っ た 。 そ の 結 果 、 フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 作 製 に 必 要 な 薄 膜 SiC を 得 る た め に 行 っ て い る SiC へ の 水 素 イ オ ン 打 ち 込 み に よ り 、SiC 結 晶 に 格 子 欠 陥 が 発 生 し た こ と が 原 因 で あ る こ と を 明 ら か に し て い る 。 以 上 の 検 討 よ り 、 イ オ ン 打 ち 込 み に よ る 薄 膜 化 を 行 わ ず に 、フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 を 作 製 す る こ と が 、SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 共 振 器 の 高 Q 値 化 の た め に 重 要 で あ る こ と を 明 ら か に し て い る 。 第 4 章 で は 、 イ オ ン 打 ち 込 み を 用 い ず に フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 を 作 製 す る 新 た な ２ つ の 方 法 の 提 案 ・ 検 討 お よ び 作 製 し た 試 料 の 評 価 結 果 に つ い て 述 べ ら れ て い る 。 そ の 第 一 の 方 法 は 、斜 め エ ッ チ ン グ 技 術 を 用 い る こ と で 、SiC バ ル ク の 上 に ナ ノ ビ ー ム 構 造 フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 共 振 器 を 作 製 す る 手 法 で あ り 、 こ の 手 法 に よ っ て 作 製 し た 構 造 の 最 大 Q 値 は 4 万 と 、 従 来 法 に よ り 実 現 し た Q 値 よ り 4 倍 以 上 高 い 値 が 得 ら れ て い る 。 第 二 の 方 法 は 、 研 削 に よ り SiC 薄 膜 を 作 製 し 、 フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 共 振 器 を 実 現 す る 手 法 で あ り 、 本 手 法 に よ り 作 製 し た SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 共 振 器 で は 、 30 万 と い う 非 常 に 高 い Q 値 が 実 現 さ れ て い る 。 第 5 章 で は 、 第 4 章 で 述 べ ら れ て い る 手 法 に よ り 実 現 し た 、 10 万 以 上 の 超 高 Q 値 の SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 に お け る 非 線 形 光 学 特 性 に つ い て 検 討 さ れ て い る 。共 振 器 内 部 の エ ネ ル ギ ー は 、Q 値 に 比 例 し て 高 く な る た め 、従 来 の 共 振 器 に 比 べ て 高 エ ネ ル ギ ー 密 度 が 実 現 で き る 。 ま ず 、 超 高 Q 値 の SiC 共 振 器 に お い て 、 mW レ ベ ル の 入 力 に 対 し て も 多 光 子 吸 収 が 生 じ な い こ と を 示 し 、 高 い エ ネ ル ギ ー 密 度 を 利 用 し て 高 効 率 な 非 線 形 現 象 を 発 現 さ せ る 上 で 、 多 光 子 吸 収 が 問 題 に な ら な い こ と を 示 し て い る 。 さ ら に 超 高 Q 値 SiC に お け る 二 次 高 調 波 発 生 を 実 験 的 に 検 証 し 、 非 常 に 高 い 効 率 で の 波 長 変 換 が 起 き て い る こ と を 示 唆 す る 結 果 を 得 て い る 。 本 研 究 で は 、 共 振 器 の Q 値 が 従 来 の 10 倍 に 増 加 し て い る た め 、 100 倍 以 上 の 効 率 向 上 が 期 待 さ れ る が 、 詳 細 な 定 量 的 評 価 は 今 後 の 実 験 を 介 し て 実 証 す る 予 定 と さ れ て い る 。 第 6 章 で は 、 本 研 究 の 結 論 を 述 べ る と と も に 、 今 後 の 課 題 に つ い て 展 望 さ れ て い る 。
氏 名 田 昇 愚 （ 論 文 審 査 の 結 果 の 要 旨 ） 本 論 文 は 、従 来 の ワ イ ド バ ン ド ギ ャ ッ プ 半 導 体 材 料「 シ リ コ ン カ ー バ イ ド (SiC)」を 用 い た フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 の 光 閉 じ 込 め 性 能 数 (Q 値 )を 飛 躍 的 に 向 上 さ せ る た め の 提 案 を 行 い 、「 超 高 Q 値 SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 」 の 実 現 可 能 性 を 検 討 し た も の で あ る 。 申 請 者 が 所 属 す る 研 究 室 で は 、 SiC を フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 の 材 料 と し て 用 い る こ と を 提 案 し 、 Q 値 1 万 と い う 共 振 器 の 実 現 に 世 界 で 初 め て 成 功 し て い た 。本 論 文 で は 、従 来 法 に よ り 作 製 さ れ た 共 振 器 の Q 値 が 1 万 に 留 ま っ て い た 原 因 に つ い て 考 察 し 、ナ ノ 共 振 器 の Q 値 の さ ら な る 向 上 を 実 現 し た 結 果 に つ い て ま と め ら れ て い る 。 本 論 文 に お い て 、 得 ら れ た 主 な 成 果 は 次 の と お り で あ る 。 1）既 存 の SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 の 設 計 お よ び 製 作 、Q 値 の 測 定 に つ い て 綿 密 に 検 討 し て 、理 論 的 に 得 ら れ る Q 値 に 比 べ て 実 験 的 に 得 ら れ た Q 値 が 非 常 に 低 い と い う 点 を 明 ら か に し た 。 2) SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 の Q 値 が 1 万 に 留 ま っ て い る 原 因 は 、 SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 を 構 成 す る 材 料 で あ る SiC 薄 膜 内 部 の 結 晶 欠 陥 に 起 因 し た 光 吸 収 損 失 で あ る こ と を 明 ら か に し た 。 ま た 、 こ れ が SiC を 薄 膜 化 す る 工 程 で 用 い ら れ る イ オ ン 打 ち 込 み の 結 果 生 じ て い る こ と を 明 ら か に し た 。 3)イ オ ン 打 ち 込 み を 用 い ず に フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 共 振 器 を 作 製 し 、高 Q 値 化 を 達 成 す る 方 法 を ２ 種 類 提 案 ・ 実 証 し た 。 １ つ は 、 斜 め エ ッ チ ン グ 技 術 を 用 い る こ と で 、 純 粋 な SiC バ ル ク の 上 に ナ ノ ビ ー ム 構 造 フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 共 振 器 を 作 製 す る 手 法 で あ り 、 本 手 法 で 作 製 さ れ た 共 振 器 で は 最 大 4 万 と い う 、従 来 の ４ 倍 の 値 が 得 ら れ た 。２ つ め は 、 研 磨 に よ る SiC 薄 膜 化 を 利 用 し た 共 振 器 作 製 手 法 で あ り 、 本 手 法 で 作 製 さ れ た SiC 共 振 器 で は 最 大 Q 値 と し て 30 万 と い う 非 常 に 高 い 値 が 得 ら れ た 。こ れ は 従 来 を 30 倍 以 上 回 る 値 で あ り 、SiC を 用 い た フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 で も 10 万 以 上 の 高 い Q 値 が 得 ら れ る こ と を 世 界 で 初 め て 実 証 し た 。 4)以 上 を 踏 ま え 、 超 高 Q 値 SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 ナ ノ 共 振 器 の 光 学 的 特 性 、 特 に 非 線 形 光 学 特 性 に つ い て 考 察 し た 。具 体 的 に は 、ま ず 超 高 Q 値 SiC フ ォ ト ニ ッ ク 結 晶 共 振 器 に お い て も 、 多 光 子 吸 収 が 効 果 的 に 抑 制 さ れ る こ と を 確 認 し 、 つ づ い て 二 次 高 調 波 発 生 の 実 験 的 検 討 を 行 っ た 結 果 、高 Q 値 化 に よ る 波 長 変 換 効 率 の 大 幅 な 向 上 を 示 唆 す る 結 果 を 得 た 。 以 上 の よ う に 、 本 論 文 は 、 日 本 の み な ら ず 全 世 界 の 関 連 研 究 分 野 に お い て も 先 駆 的 な も の で あ り 、 本 研 究 の 学 術 的 意 義 は 極 め て 高 く 評 価 で き 、 学 術 上 、 実 際 上 寄 与 す る と こ ろ が 少 な く な い 。 よ っ て 、 本 論 文 は 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め る 。 ま た 、 平 成 28 年 2 月 24 日 、 論 文 内 容 と そ れ に 関 連 し た 事 項 に つ い て 試 問 を 行 っ て 、 申 請 者 が 博 士 後 期 課 程 学 位 取 得 基 準 を 満 た し て い る こ と を 確 認 し 、 合 格 と 認 め た 。 な お 、 本 論 文 は 、 京 都 大 学 学 位 規 程 第 14 条 第 2 項 に 該 当 す る も の と 判 断 し 、 公 表 に 際 し て は 、 当 該 論 文 の 全 文 に 代 え て そ の 内 容 を 要 約 し た も の と す る こ と を 認 め る 。
