新方式の超小型波長変換デバイスを用いた深紫外光変換に成功――殺菌/消毒効果が高く人体に無害な波長の光源 大阪大学

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(左)Si台座上の微小共振器デバイス、(右)デバイス拡大図と側壁拡大図

大阪大学は2021年6月4日、従来とは異なる方式の窒化物半導体超小型デバイスを用いた波長変換で、深紫外光変換に成功したと発表した。

同大学によると、近年新型コロナウイルス感染症拡大などの影響によって、深紫外光による殺菌/消毒が注目を集めている。しかし、人体に無害な220~230nmの波長で、高効率かつ長寿命の深紫外光源は実用化されていない。波長変換による深紫外光がその実用化の有力な候補になるが、従来の強誘電体結晶を用いる波長変換デバイスでは、深紫外光に対して不透明なため深紫外光発生には適用できなかった。

今回同大学の研究グループは、窒化物半導体の中でも吸収波長が短く、波長210nmまで透明な窒化アルミニウムに着目した。しかし、従来型の波長変換デバイスでは結晶の表裏を光波伝搬方向に短い周期で反転させる必要があり、結晶成長でその構造を実現するのは非常に困難だった。

今回の研究では、数mm程度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って、波長変換領域を高反射分布ブラック反射器(DBR)で挟んだ微小共振器型波長変換デバイスを考案。構造最適化によってより小型のデバイスで高い波長変換効率が可能であることを見出した。

今回、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持つ窒化ガリウムを用いて、微細加工技術と異方性ウェットエッチングを駆使し、同型の超小型微小共振型デバイスを作製。同デバイスに波長856nmのレーザー光を照射し、波長428nmの青紫色光に波長変換させることに成功した。

微小共振器デバイスで発生した波長変換光

今回新たな構造の超小型波長変換デバイスの有効性が確認されたことによって、殺菌や消毒効果が高く人体に無害な深紫外光を効率よく発生させる超小型波長変換デバイスの実現が期待できるという。

また今回開発した技術は、窒化物半導体以外の非線形光学結晶にも適用可能なために、例えば光干渉断層撮影(OCT)では観察が難しい体内器官が観察可能になるような広帯域光子対発生デバイスの実現にもつながる可能性があるという。

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