研究紹介 丸文学術賞 受賞者

超小型・超低閾値ラマン
シリコンレーザーの実現
実用的なシリコンレーザーの開発を目指して髙橋 和
大阪府立大学 21世紀科学研究機構
特別講師

研究の背景

ウム、窒素、リン、ヒ素）を組み合わせて作られており、これらはシリコンとの相性が良研究の成果豊富な資源量、極限まで集積化が進んいとはいえない。電子技術と光技術の真受賞者は、2006年からフォトニック結晶

だCMOS技術など、電子デバイスの中心の融合を図るためには、実用的なシリコンナノ共振器の 値向上に取り組み、世界材料であるシリコンを用いて光デバイスもレーザーを作ることが重要である。

最高 値を更新しつづけてきた【1-4】。この作ることができれば、電子機器や光通信

現在唯一のシリコンレーザーは、ラマン成果を何とか革新的デバイスの創生につネットワークの高速・省エネ化だけでなく、散乱現象を利用した光励起型のレーザーなげたいと考え、フォトニック結晶高 値ナ

医療・バイオ分野までその恩恵が行きわである。ラマン散乱は1928年に確認されノ共振器におけるラマン散乱の増強メカニたると期待されている。導波路、分波器、た現象で、透明な物質に光を照射すると、ズムを調べてきた。精緻な試料作製と顕微変 調 器 、受 光 器など個々には良好な性照射した波長から物質の格子振動数だけ分光測定を駆使して地道な研究を積み重能を持つシリコン光素子がいくつも実現

長波長にシフトした光が放出されるものでねた結果【5-7】、2013年、インテルのデバイしてきており、パソコンなどのCPUに光技ある。この光現象は、レーザーの源となるスより1万倍以上小さく、2万倍低い閾値を術が導入されるのも時間の問題となりつ誘導放出も可能であり、2005年にインテ持つラマンシリコンレーザーを開発した【8】。

つある。
しかしながら、シリコンは間接遷移

ル社が初めて室温連続発振するラマンシ

図1がレーザーに用いたナノ共振器の型と呼ばれるタイプの半導体であり、光技リコンレーザーを発表して注目された。
しか構造とラマン散乱のメカニズムを示してい術の源泉であるレーザー光を生み出すこし素子サイズが1センチ以上もあり、発振る。フォトニック結晶は、薄いシリコンの板とが物理的に困難である。現在、我々の閾値も20ミリワットと非常に高かった。
さらにナノメートルサイズの空気孔を周期的暮らしの中に無数に存在している半導体に、P-i-Nダイオードを付加した作製コストに開けて形成されており、空気孔の格子レーザーやLEDのほぼ全てが、13族と15の高い構造であった。これではシリコンを定数（ ）が僅かに大きくしてあるヘテロ構族の6つの元素（アルミ、ガリウム、インジ用いるメリットが減少してしまう。

造部分で、局所的に光を強く閉じ込めるためのナノ共振モードが2つ形成される。

図1 （a）
ラマンレーザーに用いたナノ共振器の構造とバンド図 （ｂ）
シリコンのバンド図と発光現象

我々は、第2ナノ共振モードを励起光を閉じ込めるために、第1ナノ共振モードをラマン散乱光を閉じ込めるために利用した。前者の共振モードは 値10万以上、後者では100万以上が得られ、両者の周波数差は空気孔の直径を変えることでシリコンの格子振動数に一致させることが可能という特長を持っている。
図2は作成したサンプルの電子顕微鏡写真にラマンレーザーの動作イメージを重ねたものである。P-i-Nダイオード構造は付けておらず、純粋にシリコンだけで作られている。空気孔を埋めた3本の線欠陥が平行に構築してあり、長さが10マイクロメートル程度の中央の欠陥がヘテロ構造ナノ共振器である。
通常、シリコン光素子は[110]方向（紙面繰り返すことによる性能劣化は見られてい

図2 ラマンシリコンレーザーの電子顕微鏡写真とデバイスの動作イメージない。

将来の展望
本デバイスの閾値をさらに下げることは十分可能であり、ナノワットレベルの励起強度であれば、シリコンからの自然放出光でもレーザーの励起源として利用可能と期待される。つまりシリコンLEDからの発光を介したより実用的な電流注入型のラマンシリコンレーザーが期待できる。
もし実現すれば、電子技術と光技術が融合した夢のシリコンチップへの道が大きく開かれることとなる。

水平方向）に作製されるが、2つのナノ共振③[100]方向に共振器を作製したことでモードの電磁界分布とシリコンのラマン選択

両モードは強く結合して、ラマン散乱が増また、安価な小型センサー光源として、さま則を考慮すると45°傾いた[100]方向に作幅されレーザー発振が起こる。

ざまな産業創出を可能とするだろう。今回

図3は、ナノ共振器から垂直方向に放射

我々が発明したデバイスコンセプトは、
フォト発振メカニズムを簡単に言うと、以下のされたレーザー光の強度をプロットした結果

ニック結晶導波路にも適用可能であり、光とおりである。① 値が10万程度の第2と発振前後での共振器の赤外カメラ写真増幅器の開発までが今後の研究ターゲッ

ナノ共振モードに閉じ込められた励起光はである。約1マイクロワットの入射強度で明トになると予想される。ぜひ、このような研究シリコンの格子振動と相互作用してラマン瞭なレーザー発振が確認されていることがに今後チャレンジしていきたいと考えてい製したほうがレーザー発振に有利となる。

散乱光を効率的に発生させる。②生じた分かる。本測定は大気中にて行われたが、る。本研究が、シリコンフォトニクスと我が国

ラマン散乱光は 値100万以上の第1ナ

バルクシリコンのみをレーザー発振の材料の電子産業の発展に寄与することになれノ共振モードにさらに強く閉じ込められる。に用いていることから堅牢であり、測定をば大きな喜びである。
本研究の遂行にあたり京都大学野田

図3 （a）
レーザーの入力−出力特性。挿入図は発振前後での出力スペクトル（b）（、c）
発振直前と直後のナノ共振器の赤外カメラ写真

進教授には全面的に協力していただいた。
共同研究者の皆さまに深く感謝申し上げます。

補足説明
値
共振器が光を閉じ込める強さを表す量。 値が高い共振器は、光を長く閉じ込めることができるので、光と物質の相互作用を高めることが可能となる。
英語のQualityの頭文字に由来している。

ヘテロ構造ナノ共振器
2005年に報告された構造で、非常に高い 値を持つことを特徴とする。格子定数を少し大きくしたことによるモードギャップ障壁を利用して光を閉じ込めている。

References（参考文献）【1】Y. Takahashi, H. Hagino, Y. Tanaka, B. S. Song, T. Asano, and S.
Noda, High- nanocavity with a 2-ns photon lifetime, Opt. Express15, 17206（2007）.

【5】Y. Takahashi, Y. Tanaka, H. Hagino, T. Asano, and S. Noda,
Higher-order resonant modes in a photonic heterostructure nanocavity,Appl. Phys. Lett. 92, 241910（2008）.

【2】H. Hagino, Y. Takahashi, Y. Tanaka, T. Asano, and S. Noda, Eﬀects
of ﬂuctuation in air hole radii and positions on optical characteristics
in photonic crystal heterostructure nanocavities, Phys. Rev. B 79,085112（2009）.

【6】乾善貴, 高橋和, 浅野卓, 野田進, ナノ共振器シリコンラマンレーザの特性に結晶方位が与える影響 , 秋季応用物理学会 14p-B1-6（2012）.

【4】H. Sekoguchi, Y. Takahashi, T. Asano, and S. Noda, Photonic crystal
nanocavity with a -factor of 〜9 million, Opt. Express 22, 916（2014）.

A micrometre-sized Raman silicon laser with a microwatt threshold,Nature 498, 470（2013）.

【7】Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda,
High- resonant modes in a photonic crystal heterostructure nanocavity【3】Y. Taguchi, Y. Takahashi, Y. Sato, T. Asano, and S. Noda, Statisticaland applicability to a Raman silicon laser, Phys. Rev. B 88, 235313
studies of photonic heterostructure nanocavities with an average（2013）.
factor of three million, Opt. Express 19, 11916（2011）.
【8】Y. Takahashi, Y. Inui, M. Chihara, T. Asano, R. Terawaki, and S. Noda,