共振器集積による導波モード共鳴素子の開口微小化に関する研究

井上, 純一

2014-03-25

2014-03-25

導波モード共鳴（guided-mode resonance：GMR）素子は，基板上に薄膜導波路とサブ波長周期構造（グレーティング）を集積して構成され，空間光入射に対して狭帯域反射スペクトルを示す。主に表面加工で作製できるため作製プロセスが少ない利点があるが，数百mサイズの大きな素子開口面積が必要という特徴がある。本研究では，数～数十mサイズの微小開口GMR素子を目指し，分布ブラッグ反射器（DBR）ペアから成る導波路共振器を集積した共振器集積導波モード共鳴フィルタ（cavity-resonator-integrated guided-mode resonance filter：CRIGF）を提案した。またCRIGFを設計するために特性解析モデルを構築した。素子を設計，作製し光学実験により狭帯域反射特性を実証した。レーザ共振器ミラー応用の観点から反射位相の波長依存性についても検討した。垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL）の発振波長制御のためにCRIGFに基づく新規レーザ共振器ミラーを提案し，実証の第一段階として反射位相について検討した。GMR素子の特性解析にはRigorous Coupled Wave Analysis法やFinite-difference time-domain法が一般的であるが，前者はCRIGFへ適用困難であり，後者は適用できても計算時間が非常に長く素子設計には無用であった。そこでCRIGFの解析手法としてモード結合理論の適用を検討し，従来手法との比較により有用性を実証した。開口50 mのCRIGFを設計した。石英ガラス基板にプラズマCVDによって導波コア層を堆積し，その上に塗布した電子ビーム（EB）描画用レジストをEB直接描画してグレーティングパターンを形成した。作製した素子について光学実験により狭帯域反射特性を実証した。一方，さらなる開口微小化に伴い，発散導波光の波面湾曲によりDBR反射率が低下し，結果的にCRIGFの反射率が低下する問題が浮上した。そこでチャネル導波路へのCRIGF集積を検討した。しかしチャネル導波路は一般的にスラブ導波路よりも作製プロセスが多く複雑である。薄膜の導波コア層とストリップ形状のクラッド層から成るリッジ型チャネル導波路とし，クラッド層にグレーティングを集積する構造を検討した。ストリップ形状とグレーティングパターンを表面加工によって同時に作製できるため，スラブ導波路の場合と同じ工程数で作製可能である。まずチャネル導波路を試作し，導波光励振を確認した。次に10 m開口のCRIGFを作製し，光学実験によって反射特性を確認した。波長フィルタ応用において光導波路や光ファイバの入出力光をレンズレスで結合することは，光学システムの省スペース，低コスト，安定性の点から非常に魅力的である。しかしCRIGFとファイバとの位置合わせにはmオーダーの精度が必要であると予測され，位置ずれによるフィルタ特性の低下，不全が懸念される。そのため実験的に直接結合を試み，フィルタ特性を確認することは応用可能性を検討する上で意義がある。そこで単一モード光ファイバのモードフィールドに合わせて11 m開口のCRIGFを設計・作製し，ファイバとの直接結合において狭帯域高反射率特性を実証した。レーザ共振器ミラーへの応用の観点から，反射位相の波長依存性を知ることは非常に重要である。GMR素子については，高反射率波長近傍で反射位相が急峻に2 変化することが知られている。CRIGFにおいても同様の反射位相変化を示すことを実験的に明らかにした。VCSELの発振波長制御のために，外部共振器ミラーを用いて共振器長を変化させる手法が複数提案されているが，nmオーダーの発振波長制御のためには外部ミラーのアライメントトレランスがサブnm程度となり現実的でない。波長無依存の高反射率と特定波長近傍での急峻な反射位相変化を示すミラーを実現できれば，レーザ共振器を構成するミラー間距離に依存せずに任意の波長でのレーザ発振が期待できる。このようなミラーとして，金属ミラー上にバッファ層を介してCRIGFを集積した共振器集積導波モード共鳴ミラー（cavity-resonator-integrated guided-mode resonance mirror：CRIGF）を提案した。CRIGMの反射は，CRIGFと金属ミラーからの反射の重ね合わせの結果として生じるため，互いの位相関係がCRIGMの反射特性に影響を与えると予測される。この位相関係はバッファ層厚に依存する。そこでバッファ層厚の異なるCRIGM を設計・作製し，それぞれ反射位相の波長依存性を測定した。バッファ層厚に依存せず2 の反射位相変化を確認した。一方，バッファ層厚に依存して反射位相の変化率が異なることを明らかにした。

博士（工学）

京都工芸繊維大学

14303甲第692号

http://hdl.handle.net/10212/2160

ja

ETD

Thesis or Dissertation

Thesis