(57)【要約】【課題】効率的に超広帯域光が発生できるようにする。【解決手段】コア１０３および一部のコア１０３に接して設けられた２次元材料層１０４を備える。２次元材料層１０４は、原子または分子が２次元的に配列された構造とされてコア１０３よりも非線形定数が高い。２次元材料層１０４は、導波方向において一部のコア１０３に設けられている。また、２次元材料層１０４は、少なくともコア１０３の上面に接して設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
等しい周波数間隔である複数の輝線スペクトルを有する光を生成する光源と、
コアおよび一部の前記コアに接して設けられた２次元材料層を備えて前記光源より生成された光のスペクトル帯域を拡大させる光導波路と
を備え、
前記２次元材料層は、原子または分子が２次元的に配列された構造とされて前記コアよりも非線形定数が高いことを特徴する広帯域光発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の広帯域光発生装置において、
前記光源より生成された光の輝線スペクトルの分散を補償する補償部を備え、
前記光導波路は、前記補償部より出力された光のスペクトル帯域を拡大させる
ことを特徴する広帯域光発生装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の広帯域光発生装置において、
前記光導波路はシングルモードとされていることを特徴とする広帯域光発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の広帯域光発生装置において、
前記コアは半導体から構成されている
ことを特徴とする広帯域光発生装置。
【請求項５】
請求項４記載の広帯域光発生装置において、
前記コアはシリコンから構成され、
前記２次元材料は、グラフェンから構成されている
ことを特徴とする広帯域光発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、より広帯域な光を発生する広帯域光発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンフォトニクスは、シリコン基板上の電子回路の製造に用いられる微細加工技術により、超小型のシリコン光回路を実現する技術である。現在、情報処理・伝送システムの応用が進展し、電子回路の集積化による消費電力増加の問題が浮上する中、光回路にも電子回路並みの集積化・多機能化が望まれており、これを実現可能とする技術としてシリコンフォトニクスが期待されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
一方、広い波長・周波数帯域のスペクトルを持つ超広帯域光を分光用の光源として用いることで、各波長で時間的なずれを発生させずに多波長を同時に物質に照射することが可能となり、高速な測定が実現できるようになる。このため、小型な超広帯域光源ができれば、非侵襲な血糖値センサーなどの応用に活用可能となる。近年、小型かつ低消費電力な超広帯域光源が、非侵襲血糖値センサーなどの応用で重要とされている（非特許文献２参照）。
【０００４】
超広帯域光の発生には非線形媒質が用いられる。この超広帯域光発生用の非線形媒質には、高非線形ファイバーやフォトニック結晶ファイバーなどが広く用いられている（非特許文献３参照）。よく知られているように、光の強度によって屈折率が変化する非線形媒質に短パルスレーザーを導波させると、非線形効果により波長変換が起こり、広い波長範囲を有する広帯域光が生成される。この効果は、光の強度によって変化する屈折率定数（非線形定数）が大きいほどより大きく得られる。なお、前述した光ファイバーでは、レーザーパルスエネルギー数十ｐＪレベルで、オクターブ帯域の超広帯域光発生や集積化が困難である。これに対し、より高い非線形定数（非線形屈折率）を持ち、集積化可能なシリコン光導波路がある（非特許文献４参照）。
【０００５】
シリコンは屈折率が高いため、シリコンよりコアを構成することで、クラッドとして用いられている二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の屈折率との差を大きくすることができ、シリコンコアに光を強く閉じ込めることが可能となる。例えば、波長１．５μｍ帯では、コア断面形状が、幅４００ｎｍ、高さ２００ｎｍ、断面積０．１μｍ2以下とすることができ、微細な光導波路が実現できる。これはＳｉＯ2系材料による光導波路のコア断面積の約１／１０００に相当する。従って、シリコン光導波路による超広帯域光発生は、フォトニック結晶ファイバーに比べてパルスのビーム径をより小さくすることが可能となる。このため、数１０ｍＷ以下の低いパルスレーザー平均出力でも、光導波路内で非常に高いパワー密度が維持でき、また、必要な光導波路長が数ｍｍ程度とすることができるため、集積化デバイスへの応用が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】山田 浩治 他,「シリコン細線光導波路システム 基本特性と機能デバイスへの応用」、電子情報通信学会論文誌, vol.J88-C, no.6, pp.374-387, 2005.
【非特許文献２】S. Camou and E. Tamechika, "Simulation tool for the prediction of compound dependence of CW-photoacoustic-based sensor using dual optical excitation", Sensors and Actuators B, vol.189, pp.224-229, 2013.
【非特許文献３】A. Ishizawa et al., "Demonstration of carrier envelope offset locking with low pulse energy", Optics Express, vol.16, no.7, pp.4706-4712, 2008.
【非特許文献４】T. Goto et al., "Octave spanning frequency comb generation in a dispersion-controlled short silicon-wire waveguide with a fiber laser oscillator", Conference on Lasers and Electro-Optics Proceedings(Optical Society of America), SW4G.1, 2015.
【非特許文献５】T. Gu et al., "Regenerative oscillation and four-wave mixing in graphene optoelectronics", Nature Photonics, vol.6, pp.554-559, 2012.
【非特許文献６】E. Hendry, et al., "Coherent Nonlinear Optical Response of Graphene", Physical Review Letters, vol.105, no.9, 097401, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非侵襲血糖値センサーなどの応用で用いるためには、更なる高効率な超広帯域光発生が必要とされ、非線形性を増強する手法の開発が望まれている。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、効率的に超広帯域光が発生できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る広帯域光発生装置は、等しい周波数間隔である複数の輝線スペクトルを有する光を生成する光源と、コアおよび一部のコアに接して設けられた２次元材料層を備えて光源より生成された光のスペクトル帯域を拡大させる光導波路とを備え、２次元材料層は、原子または分子が２次元的に配列された構造とされてコアよりも非線形定数が高い。
【００１０】
上記広帯域光発生装置において、光源より生成された光の輝線スペクトルの分散を補償する補償部を備え、光導波路は、補償部より出力された光のスペクトル帯域を拡大させるようにしてもよい。
【００１１】
上記広帯域光発生装置において、光導波路はシングルモードとされているとよい。
【００１２】
上記広帯域光発生装置において、コアは半導体から構成されているとよい。例えば、コアはシリコンから構成され、２次元材料は、グラフェンから構成されていればよい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したことにより、本発明によれば、効率的に超広帯域光が発生できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における広帯域光発生装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における広帯域光発生装置の構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における広帯域光発生装置の構成を示す構成図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における広帯域光発生装置により得られた超広帯域光のスペクトル測定結果を示す特性図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における広帯域光発生装置により得られる超広帯域光について数値シミュレーションを行った結果を示す特性図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態における広帯域光発生装置により得られる超広帯域光について数値シミュレーションを行った結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における広帯域光発生装置の構成を示す構成図である。この広帯域光発生装置は、等しい周波数間隔である複数の輝線スペクトルを有する光を生成する光源１０１と、光源１０１より生成された光のスペクトル帯域を拡大させる光導波路１０２とを備える。
【００１６】
光導波路１０２は、コア１０３および一部のコア１０３に接して設けられた２次元材料層１０４を備える。２次元材料層１０４は、原子または分子が２次元的に配列された構造とされてコア１０３よりも非線形定数が高い。２次元材料層１０４は、導波方向において一部のコア１０３に設けられている。また、２次元材料層１０４は、少なくともコア１０３の上面に接して設けられている。図１の例では、断面形状が矩形とされたコア１０３の両側面および上面に接して２次元材料層１０４が設けられている。
【００１７】
コア１０３は、半導体から構成されているとよい。コア１０３は、例えばシリコンから構成されていればよい。また、コア１０３は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されていてもよい。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は一般に、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4などの材料よりも非線形定数が大きい。また、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体装置に対しては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からコア１０３を構成することで、両者を容易に組み合わせることが可能となる。
【００１８】
また、２次元材料層１０４は、例えばグラフェンから構成されていればよい。グラフェンは、シリコンなどの半導体よりも非線形定数が高い２次元材料である。また、２次元材料層１０４は、ＭｏＳ2、ＭｏＳｅ2、ＷＳ2、ＷＳｅ2、ｈ−ＢＮなどからなる２次元材料であってもよい。
【００１９】
なお、コア１０３は、クラッド１０５の上に形成されている。コア１０３をシリコンから構成する場合、クラッド１０５は、ＳｉＯ2から構成すればよい。また、光源１０１より生成された光は、例えば、光ファイバー１１１により、光導波路１０２の入射端に導かれる。
【００２０】
シリコンから構成したコア１０３は、例えば、断面の形状が幅６００ｎｍ、厚さ２５０ｎｍである。この場合、コア１０３より構成される光導波路１０２は、シングルモードとなる。また、光導波路１０２の導波路長は、２ｍｍである。また、グラフェンから構成した２次元材料層１０４は、導波方向に長さ１０−２００μｍとされている。
【００２１】
ここで、光導波路１０２の入射端は、図２の斜視図に示すように、２次元材料層１０４の配置位置と入射端の間のコア１０３を、２次元材料層１０４の位置より離れて入射端に近づくほど暫時に細くなるテーパコアとしたスポットサイズ変換部１２１とするとよい。また、スポットサイズ変換部１２１では、この領域のコア１０３を覆う上部クラッド１０６を備える。シリコンから構成した幅６００ｎｍ、厚さ２５０ｎｍのコア１０３の場合、スポットサイズ変換部１２１は、導波方向に０．４ｍｍ程度の長さとすればよい。また、上部クラッド１０６は、ＳｉＯ2から構成すればよい。スポットサイズ変換部１２１において、モードフィールドサイズ変換を行うことで、光ファイバー１１１より射出した光を、低損失で光導波路１０２に結合させることができる。
【００２２】
上述した実施の形態における広帯域光発生装置によれば、コア１０３に、原子または分子が２次元的に配列された構造とされてコア１０３よりよりも非線形定数が高い２次元材料層１０５を接して設けるようにしたので、この領域における非線形性がより増強できるようになり、より効率的に超広帯域光が発生できるようになる。なお、コア１０３は、ＳｉＯ2やＳｉ3Ｎ4などの材料より構成されていても、２次元材料層１０４を設けることで、この領域における非線形性がより増強できるようになり、より効率的に超広帯域光が発生できるようになる。
【００２３】
次に、実際に作製した広帯域光発生装置について説明する。作製した広帯域発生装置は、シリコンからなるコア１０３により構成し、グラフェンからなる２次元材料層１０４を用いた。また、コア１０３は、断面形状を幅６００ｎｍ、厚さ（高さ）２５０ｎｍとした。また、光導波路１０２の導波路長は２ｍｍとした。また、図２を用いて説明したスポットサイズ変換部１２１を光入力側および光出力側に設けた。
【００２４】
光源側には、図３に示すように、モード同期Ｅｒドープファイバーレーザーによる光源２０１，分散補償ファイバー（ＤＣＦ）からなる補償部２０２、光ファイバー２０３を用いた。
【００２５】
モード同期Ｅｒドープファイバーレーザーからなる光源２０１は、周波数軸上に等しい周波数間隔で櫛状に並ぶ多数の輝線スペクトルの集合体からなる光（光周波数コム）を出力する。光源２０１より出力された光周波数コムは、補償部２０２で各輝線スペクトルの分散が補償されて圧縮される。圧縮後の光周波数コムの各輝線スペクトルのパルス幅は約１００ｆｓである。
【００２６】
また、光ファイバー２０３の射出端は、半球形状のレンズ構造とされ、光導波路１０２の入射側のスポットサイズ変換部に光結合する。この構成とすることで、結合効率を１．５ｄＢ／ｆａｃｅｔまで低減することができる。
【００２７】
また、光導波路１０２の射出側のスポットサイズ変換部を射出した光周波数コムは、光ファイバー２０４に光結合して光スペクトルアナライザ２０５に導かれて測定される。光ファイバー２０４の入射端も半球形状のレンズ構造とされている。
【００２８】
この測定では、グラフェンから構成した２次元材料層１０４の導波路方向の長さを１０−２００μｍの範囲で変化させた複数のサンプルを作製し、これらを測定することで、超広帯域光発生の帯域幅における２次元材料層１０４の長さ依存性を計測した。なお、結合強度は８４ｐＪと推定される。
【００２９】
２次元材料層１０４の導波方向の長さを１０μｍから徐々に長くしていくと、光導波路１０２より出力される超広帯域光の光スペクトル帯域も拡大し、２００μｍの時にスペクトル帯域が最も拡大された。
【００３０】
次に、２次元材料層１０４を用いない場合と、グラフェンからなる２次元材料層１０４を用いた場合とで比較した結果について図４を用いて説明する。図４において、（ａ）がグラフェンからなる２次元材料層１０４を用いた場合に得られた超広帯域光のスペクトル測定結果を示し、（ｂ）が、２次元材料層１０４を用いない場合に得られた超広帯域光のスペクトル測定結果を示している。２次元材料層１０４の導波路方向の長さは２００μｍである。縦軸は導波路損失量を規格化した光強度である。
【００３１】
図４（ｂ）に示すように、２次元材料層１０４を用いない構成では、短波長端は１２００ｎｍまでしか拡大していない。これに対し、グラフェンからなる２次元材料層１０４を用いることで、図４（ａ）に示すように、短波長端は１０５０ｎｍまで拡大する。この結果は、グラフェンからなる２次元材料層１０４を用いることで、シリコンからなるコア１０３の非線形性が向上し、スペクトル帯域が拡大していることを示している。
【００３２】
次に、ステップフーリエ法を用いて以下に示す非線形シュレーディンガー方程式を解くことにより、数値シミュレーションを行った結果を図５に示す。
【００３３】
【数１】
2017156554.tif 000003
【００３４】
図５の（Ａ−１），（Ａ−２）は、２次元材料層１０４の配置位置より入射側の光導波路１０２における結果を示している。図５の（Ｂ−１），（Ｂ−２）は、２次元材料層１０４の配置位置における結果を示している。図５の（Ｃ−１），（Ｃ−２）は、２次元材料層１０４の配置位置より射出側の光導波路１０２における結果を示している。これらの結果より、２次元材料層１０４の配置位置を通過することで、スペクトル帯域が拡大していることが分かる。
【００３５】
また、図６に、広帯域光発生装置により帯域が拡大した超広帯域光スペクトルを示す。図６の（ａ）は、２次元材料層１０４としてグラフェンを用いた実施の形態における広帯域光発生装置の結果を示し、図６の（ｂ）は、２次元材料層１０４を用いない場合の結果を示している。この結果においても、グラフェンによる２次元材料層１０４を用いることで、スペクトル帯域が拡大していることが示されている。
【００３６】
以上に説明したように、原子または分子が２次元的に配列された構造とされてコアよりも非線形定数が高い２次元材料層を、コアに接して設けるようにしたので、より効率的に超広帯域光が発生できるようになる。
【００３７】
従来、非線形定数の高いシリコン光導波路に超広帯域光の発生が試みられているが、シリコン光導波路における非線形性を増強するためには、より非線形性の大きな材料をシリコン光導波路（シリコンコア）の周囲に設けることが考えられるが、異種材料上の薄膜成長は格子定数や熱膨張係数の不整合といった複数の問題点を有している。また、光導波路構造により広帯域光発生を実現するに当たり、導波方向の任意の位置・領域のみにおいて非線形性を向上することが望ましい。本発明によりはじめて、上述した問題が解消され、上述した要求が達成できるようになる。
【００３８】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、光源としてモード同期Ｅｒドープファイバーレーザーを例示したが、これに限るものではなく、連続したレーザー光（ＣＷ光）を種光源とし、この種光源より得られるＣＷ光を位相変調器で位相変調して光パルス列とした光を光源としてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０１…光源、１０２…光導波路、１０３…コア、１０４…２次元材料層、１０５…クラッド、１０６…上部クラッド、１２１…スポットサイズ変換部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2017156554.tif 000006
【図４】
2017156554.tif 000007
【図５】
2017156554.tif 000008
【図６】
2017156554.tif 000009