阪大,微細加工で超小型波長変換デバイスを実現

大阪大学の研究グループは,従来デバイスと全く異なる構造の超小型微小共振器デバイスを提案・作製し,波長変換により青紫色光を発生することに成功した(ニュースリリース)。

これまで,非線形光学結晶を用いた波長変換による高出力深紫外レーザーが産業用に用いられてきたが,医療機関や公共機関・家庭での殺菌・消毒という応用には向いていない。このような用途としてエキシマランプ(波長222nm)や深紫外LED(波長265nm)がすでに市販されているが,前者は効率が低く寿命が短い,後者は人体に有害なため応用範囲が限られるといった問題がある。

これに対して研究グループは,人体に無害で,強い殺菌・消毒効果が期待できる波長220~230nmの深紫外光源を,その倍の波長の青色半導体レーザーと高効率な波長変換デバイスを組み合わせて実現できると考えた。

小型・高効率な波長変換デバイスには主に強誘電体結晶が用いられているが,これらは深紫外光に対して不透明なため深紫外光発生に適用できない。窒化物半導体はその結晶構造から高い光学非線形性と光損傷耐性を有しており,特に窒化アルミニウムは波長210nmまで透明なため深紫外光発生デバイスの有力な材料となる。しかし従来型のデバイスでは結晶の表裏を光波の伝搬方向に短い周期で反転させる必要があり,結晶成長でこの構造を実現するのは非常に難しかった。

研究グループでは,数mmの長さを必要とする従来型の周期極性反転構造波長変換デバイスに代わり,波長変換領域を高反射分布ブラッグ反射器(DBR)で挟んだ微小共振器型波長変換デバイスを提案し,構造最適化により長さ10μm程度のデバイスで高い波長変換効率が期待できることを見いだした。

透明波長が異なること以外は窒化アルミニウムと類似の特性を有する窒化ガリウムを用い,微細加工技術とDBR側壁の平坦性と垂直性を劇的に向上させる異方性ウェットエッチングを駆使し,超小型微小共振器型デバイスを作製した。このデバイスに波長856nmのレーザー光を照射したところ,波長428nmの青紫色光を発生することに成功した。

これにより,殺菌・消毒効果が高く人体に無害な深紫外光を効率よく発生する超小型波長変換デバイスの実現が期待される。また,第二高調波発生に限らず類似の構成で他の非線形光学効果を応用したデバイス,例えば波長変換領域が極小であることを利用した広帯域光子対発生デバイスを用いれば,通常の光干渉断層撮影(OCT)では難しい体内の水を多く含む器官を高分解能で観察できる可能性があり,病気の早期発見・治療につながるとしている。

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