大阪大学大学院工学研究科の大学院生の楠井大晴さん（研究当時、2024 年3月修了）、上向井正裕助教、谷川智之准教授、片山竜二教授らの研究グループは、作製が容易な周期スロット構造を窒化物半導体レーザに適用することで、青色波長帯において世界で初めて小型で実用的な波長可変レーザを実現しました。

片山教授らの研究グループは、これまで窒化物アルミニウムを採用した横型擬似位相整合波長変換デバイスや、SrB₄O₇非線形光学結晶を垂直微小共振器内に組み込んだ波長変換デバイスにより、波長230 nm以下の第二高調波発生を実証してきました。これらの新規構造デバイスの励起光源として、大型・高価な超短パルスレーザを用いてきましたが、小型で実用的な遠紫外光源を実現するためには波長460 nm帯青色半導体レーザが必要です。

Blu-rayディスク用として開発された青色窒化物半導体レーザは、近年、銅や金などの金属加工に用いられ、また将来のレーザディスプレイへの応用が期待されています。これらのレーザは発振波長を制限する構造を持たず、複数の波長でレーザ発振します。高効率な波長変換デバイスは波長許容幅が非常に狭いため、励起光源として単一波長レーザが望ましいものです。またレーザ発振波長を正確に制御できる波長可変特性も必須です。

これまでに比較的荒い周期構造を採用した青色単一波長レーザがいくつか報告されていますが、波長可変特性を有するものはありませんでした。今回、研究グループは、スロットと呼ばれる溝を数mm間隔で形成した周期スロット構造を青色半導体レーザに採用することで、世界で初めて青色波長可変半導体レーザの実現に成功しました。このレーザを上記の新規構造第二高調波発生デバイスと組み合わせることで、小型で実用的な遠紫外光源の実現が期待されます。

本研究成果は、国際科学誌「Applied Physics Express」に、2024年8月12日に公開されました。

図1. 青色波長可変周期スロット半導体レーザ

医療機関や公共機関での殺菌・消毒には、エキシマランプ（波長 222 nm）や深紫外光LED（波長265 nm）が用いられていますが、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などの問題がありました。また非線形光学結晶を用いた波長変換による高出力深紫外光レーザが産業用に実用化されていますが、大型・高価で上記の用途には適していません。そこで小型で実用的な波長230 nmの遠紫外光源を実現すべく、片山教授らの研究グループは窒化アルミニウム導波路波長変換デバイスやSrB₄O₇を用いた微小共振器型波長変換デバイスを提案・作製し、遠紫外光発生を実証してきました。

しかし励起光源には大型・高価な超短パルスレーザを用いており、励起光源の小型化が必要不可欠でした。しかし市販の青色半導体レーザは多波長発振であり、単一波長発振および波長チューニングのための外部共振器構造を導入するとサイズが数十cm、価格が数百万円となってしまいます。

片山教授らの研究グループは、長さ約1 mmの青色半導体レーザの内部に単一波長発振のための周期スロット構造と波長チューニングのための電極を導入することで、小型で実用的な青色波長可変半導体レーザの実現を試みました。周期スロット構造における反射スペクトルを伝達行列法により計算し、各種パラメータを決定しました。InGaNレーザ用エピタキシャルウエハ上に、リッジ構造と周期スロット構造を電子ビーム描画と反応性イオンエッチングにより形成しました（図2）。電極を形成後、劈開・端面コーティングにより周期スロット半導体レーザを完成させました。

まずリッジ構造にのみ電流を注入し、単一波長レーザ発振を確認しました。その後周期スロット構造に注入する電流を徐々に増加させ、図3に示す波長可変特性を得ました。これにより青色波長帯で初めての波長可変半導体レーザの実現に成功しました。

図2. 作製した周期スロット構造

図3. 波長可変特性

本研究で実現した窒化物半導体波長可変レーザは405 nm帯で発振しますが、この構造を波長460 nm帯レーザに適用することは容易です。このレーザと片山教授らの研究グループが開発した新規構造波長変換デバイスを組み合わせることで、小型で実用的な遠紫外光源の実現が可能となります。これは人体に無害なため、これまでできなかった室内の常時殺菌・消毒が可能となります。また小型で長寿命のため冷蔵庫やエアコンなどの家電製品にも内蔵でき、社会に与える影響は非常に大きなものとなります。

また、本レーザ技術は、基礎物理研究の発展にも大きな効果があります。宇宙初期には、物質と反物質が同量存在していたはずにも関わらず、我々の宇宙は反物質がなく物質で成り立っています。これは、「物質優勢宇宙の謎」と言われる我々がまだ解明できていない基礎物理研究の大きな謎です。この謎を解明するかもしれない鍵が、「ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊」という原子核崩壊事象にあります。この崩壊事象の研究には、大量の⁴⁸Caを用いることが効果的です。しかし、この48Caは天然同位体比が0.2%ととても小さく、この同位体比を上げるために、波長422.792nmの連続発振高出力レーザを用いたレーザ同位体分離法の実用化が期待されています。

本研究成果は、202４年8月１２日に国際科学誌「Applied Physics Express」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Continuous-wave operation of InGaN tunable single-mode laser with periodically slotted structure”
著者名：Taisei Kusui, Takumi Wada, Naritoshi Matsushita, Masahiro Uemukai, Tomoyuki Tanikawa and Ryuji Katayama
ＤＯＩ：https://doi.org/10.35848/1882-0786/ad66ab

なお、本研究は、ＪＳPS科学研究費 JP19H02631, JP22H04573, JP23H01879, JP23K26572, JP24H02238の助成を受けたものです。 またウシオ電機株式会社 難波江 宏一氏, 三好 晃平氏, 深町 俊彦氏より InGaN レーザ用エピタキシャルウエハの提供を受けました。デバイス作製に関して, 大阪大学 藤原 康文 名誉教授および大阪大学フォトニクスセンターの協力を得ました。

・窒化アルミニウムを用いた新構造デバイスで 深紫外光発生に成功
～ ポストコロナ時代の実用的な殺菌・消毒への新技術 ～
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2023/20230912_1

・SrB4O7非線形光学結晶を用いた垂直微小共振器型波長変換デバイス
DOI：https://doi.org/10.35848/1882-0786/ad69fe

・上向井 正裕 助教 研究者総覧
https://rd.iai.osaka-u.ac.jp/ja/3a5093a9084159aa.html