所属
環境生命自然科学学域 教授
職名
教授
タカハシ ヤスシ
髙橋 和
Yasushi Takahashi
ORCID
経歴
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岡山大学 環境生命自然科学研究科 教授
2025年4月 - 現在
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大阪公立大学大学院 工学研究科 准教授
2022年4月 - 2025年3月
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大阪府立大学 工学研究科 准教授
2014年10月 - 2022年3月
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大阪府立大学 21世紀科学研究機構 准教授
2014年4月 - 2014年9月
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JST さきがけ研究員
2009年10月 - 2013年3月
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大阪府立大学 21世紀科学研究機構 テニュアトラック講師
2009年4月 - 2014年3月
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京都大学大学院 工学研究科 ポスドク研究員
2006年4月 - 2009年3月
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東京大学大学院 新領域創成科学研究科物質系専攻
2001年4月 - 2006年3月
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慶応義塾大学 理工学部物理学科
1997年4月 - 2001年3月
論文
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Yu Shimomura, Takashi Asano, Ayumi Ishihara, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
Optics Express 33 ( 8 ) 18515 - 18515 2025年4月
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Yuki Saito, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
Optics Express 31 ( 9 ) 14317 - 14317 2023年4月
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Ultrahigh-Q Photonic Nanocavity Devices on a Dual Thickness SOI Substrate Operating at Both 1.31-and 1.55-mu m Telecommunication Wavelength Bands 査読
Mitsuki Kuwabara, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
LASER & PHOTONICS REVIEWS 13 ( 2 ) 2019年2月
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Strongly asymmetric wavelength dependence of optical gain in nanocavity-based Raman silicon lasers 査読
Daiki Yamashita, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
OPTICA 5 ( 10 ) 1256 - 1263 2018年10月
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【Editors Pick】Ultrahigh-Q photonic crystal nanocavities fabricated by CMOS process technologies 査読
Kohei Ashida, Makoto Okano, Minoru Ohtsuka, Miyoshi Seki, Nobuyuki Yokoyama, Keiji Koshino, Masahiko Mori, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
OPTICS EXPRESS 25 ( 15 ) 18165 - 18174 2017年7月
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A micrometre-scale Raman silicon laser with a microwatt threshold 査読
Yasushi Takahashi, Yoshitaka Inui, Masahiro Chihara, Takashi Asano, Ryo Terawaki, Susumu Noda
NATURE 498 ( 7455 ) 470 - 474 2013年6月
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Strong coupling between distant photonic nanocavities and its dynamic control 査読
Yoshiya Sato, Yoshinori Tanaka, Jeremy Upham, Yasushi Takahashi, Takashi Asano, Susumu Noda
NATURE PHOTONICS 6 ( 1 ) 56 - 61 2012年1月
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【Editors Pick】Design and demonstration of high-Q photonic heterostructure nanocavities suitable for integration 査読
Yasushi Takahashi, Yoshinori Tanaka, Hiroyuki Hagino, Tomoyuki Sugiya, Yoshiya Sato, Takashi Asano, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 17 ( 20 ) 18093 - 18102 2009年9月
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Detection of Charged Particles in a Vacuum Using a Photonic Crystal Waveguide 査読
Kosei Otsuka, Takeki Higashiguchi, Rikuto Hojo, Kazuya Kikunaga, Kazuhiro Toyoda, Yasushi Takahashi
2024 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR) 1 - 2 2024年8月
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Raman Scattering in a Silicon Photonic Nanocavity Operating at $1.1 \mu \mathrm{m}$ 査読
Yu Shimomura, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
2023 IEEE Workshop on Recent Advances in Photonics (WRAP) 1 - 3 2023年12月
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Stable Detection of Ionized Air by a Highly Excited Raman Silicon Nanocavity Laser 査読
Takeki Higashiguchi, Kousei Otsuka, Makoto Okano, Yasushi Takahashi
2023 IEEE Workshop on Recent Advances in Photonics (WRAP) 1 - 3 2023年12月
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Silicon nanocavity with a quality factor of 6.7 million fabricated by a CMOS-compatible process 査読
Masaaki Katsura, Yuji Ota, Ryota Mitsuhashi, Minoru Ohtsuka, Miyoshi Seki, Nobuyuki Yokoyama, Takashi Asano, Susumu Noda, Makoto Okano, Yasushi Takahashi
Optics Express 31 ( 23 ) 37993 - 37993 2023年10月
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Akari Fukuda, Takashi Asano, Taro Kawakatsu, Yasushi Takahashi, Susumu Noda
Optics Express 31 ( 10 ) 15495 - 15513 2023年4月
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Control of the sensitivity of the detection of ionized air using photonic crystal waveguides
Masanao Fujimoto, Yuki Takahashi, Kazuya Kikunaga, Yasushi Takahashi
OPTICS CONTINUUM 2 ( 2 ) 349 - 360 2023年2月
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Akari Fukuda, Takashi Asano, Yasushi Takahashi, Susumu Noda
2022 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR) 1 - 2 2022年7月
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Detection of ionized air using a photonic-crystal nanocavity excited by broadband light from a superluminescent diode
Yuki Takahashi, Masanao Fujimoto, Kazuya Kikunaga, Yasushi Takahashi
OPTICS EXPRESS 30 ( 7 ) 10694 - 10708 2022年3月
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Yuji Ota, Makoto Okano, Yasushi Takahashi
Proceedings of the 2022 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim CFA12F_02 - CFA12F_02 2022年
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1.2-mu m-band ultrahigh-Q photonic crystal nanocavities and their potential for Raman silicon lasers
Hiroko Okada, Masanao Fujimoto, Natsumi Tanaka, Yuki Saito, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
OPTICS EXPRESS 29 ( 15 ) 24396 - 24410 2021年7月
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Detection of negatively ionized air by using a Raman silicon nanocavity laser
Satoshi Yasuda, Yuki Takahashi, Takashi Asano, Yuki Saito, Kazuya Kikunaga, Daiki Yamashita, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
OPTICS EXPRESS 29 ( 11 ) 16228 - 16240 2021年5月
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Sub-100-nW-threshold Raman silicon laser designed by a machine-learning method that optimizes the product of the cavity Q-factors
Taro Kawakatsu, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
OPTICS EXPRESS 29 ( 11 ) 17053 - 17068 2021年5月
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Design characteristics of a raman silicon nanocavity laser for efficient emission of light into an adjacent waveguide
Yuki Saito, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
Optics InfoBase Conference Papers 2021年
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Oscillation interruption of a raman silicon nanocavity laser induced by positively ionized-air irradiation
Yuki Takahashi, Satoshi Yasuda, Masanao Fujimoto, Takashi Asano, Kazuya Kikunaga, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
Optics InfoBase Conference Papers 2021年
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Raman silicon laser based on a nanocavity fabricated by photolithography
Takamasa Yasuda, Makoto Okano, Minoru Ohtsuka, Miyoshi Seki, Nobuyuki Yokoyama, Yasushi Takahashi
OSA CONTINUUM 3 ( 4 ) 814 - 823 2020年4月
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Detrimental Fluctuation of Frequency Spacing Between the Two High-Quality Resonant Modes in a Raman Silicon Nanocavity Laser
Jun Kurihara, Daiki Yamashita, Natsumi Tanaka, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS 26 ( 2 ) 2020年3月
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Statistical evaluation of Q factors of fabricated photonic crystal nanocavities designed by using a deep neural network
Masahiro Nakada, Kengo Tanaka, Takashi Asano, Yasushi Takahashi, Susumu Noda
APPLIED PHYSICS EXPRESS 13 ( 1 ) 2020年1月
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Raman Scattering Emission from a Silicon Photonic Nanocavity Excited by a Superluminescent Diode
Taro Kawakatsu, Daiki Yamashita, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
14th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO PR 2020) 2020年
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Implementing a Raman silicon nanocavity laser for integrated optical circuits by using a (100) SOI wafer with a 45-degree-rotated top silicon layer
Yukiko Yamauchi, Makoto Okano, Hiroaki Shishido, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
OSA CONTINUUM 2 ( 7 ) 2098 - 2112 2019年7月
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Utilizing Broadband Light From a Superluminescent Diode for Excitation of Photonic Crystal High-Q Nanocavities
Risa Shiozaki, Takahiro Ito, Yasushi Takahashi
JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY 37 ( 10 ) 2458 - 2466 2019年5月
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Photonic Crystal Nanocavities With an Average Q Factor of 1.9 Million Fabricated on a 300-mm-Wide SOI Wafer Using a CMOS-Compatible Process
Kohei Ashida, Makoto Okano, Takamasa Yasuda, Minoru Ohtsuka, Miyoshi Seki, Nobuyuki Yokoyama, Keiji Koshino, Koji Yamada, Yasushi Takahashi
JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY 36 ( 20 ) 4774 - 4782 2018年10月
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Lasing Dynamics of Optically-Pumped Ultralow-Threshold Raman Silicon Nanocavity Lasers
Daiki Yamashita, Yasushi Takahashi, Jun Kurihara, Takashi Asano, Susumu Noda
PHYSICAL REVIEW APPLIED 10 ( 2 ) 2018年8月
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髙橋 和, 岡野 誠, 浅野 卓, 野田 進
応用物理 87 ( 10 ) 749 - 753 2018年
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Excitation wavelength dependence of a high-Q nanocavitybased Raman silicon laser 査読
Daiki Yamashita, Takashi Asano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
Optics InfoBase Conference Papers 2018 2018年
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Yukiko Yamauchi, Makoto Okano, Susumu Noda, Yasushi Takahashi
CLEO Pacific Rim Conference Th1H.2 - Th1H.2 2018年
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Enhanced radiative recombination rate for electron-hole droplets in a silicon photonic crystal nanocavity
Toshiyuki Ihara, Yasushi Takahashi, Susumu Noda, Yoshihiko Kanemitsu
PHYSICAL REVIEW B 96 ( 3 ) 2017年7月
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Photonic crystal nanocavity with a Q factor exceeding eleven million
Takashi Asano, Yoshiaki Ochi, Yasushi Takahashi, Katsuhiro Kishimoto, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 25 ( 3 ) 1769 - 1777 2017年2月
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Analysis of high-Q photonic crystal L3 nanocavities designed by visualization of the leaky components
Kenichi Maeno, Yasushi Takahashi, Tatsuya Nakamura, Takashi Asano, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 25 ( 1 ) 367 - 376 2017年1月
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Improvement in the quality factors for photonic crystal nanocavities via visualization of the leaky components
Tatsuya Nakamura, Yasushi Takahashi, Yoshinori Tanaka, Takashi Asano, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 24 ( 9 ) 9541 - 9549 2016年5月
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A sub-microwatt threshold Raman silicon laser using a high-Q nanocavity 査読
Daiki Yamashita, Yasushi Takahashi, Takashi Asano, Susumu Noda
2015 11th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim, CLEO-PR 2015 4 2016年1月
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Raman shift and strain effect in high-Q photonic crystal silicon nanocavity
Daiki Yamashita, Yasushi Takahashi, Takashi Asano, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 23 ( 4 ) 3951 - 3959 2015年2月
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Breakthroughs in Photonics 2013: A Microwatt-Threshold Raman Silicon Laser
Yasushi Takahashi, Susumu Noda
IEEE PHOTONICS JOURNAL 6 ( 2 ) 2014年4月
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Ultra-compact 32-channel drop filter with 100 GHz spacing
Yasushi Takahashi, Takashi Asano, Daiki Yamashita, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 22 ( 4 ) 4692 - 4698 2014年2月
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Photonic crystal nanocavity with a Q-factor of similar to 9 million
Hiroshi Sekoguchi, Yasushi Takahashi, Takashi Asano, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 22 ( 1 ) 916 - 924 2014年1月
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High-Q resonant modes in a photonic crystal heterostructure nanocavity and applicability to a Raman silicon laser
Yasushi Takahashi, Yoshitaka Inui, Masahiro Chihara, Takashi Asano, Ryo Terawaki, Susumu Noda
PHYSICAL REVIEW B 88 ( 23 ) 2013年12月
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Ultralow-threshold Continuous-wave Raman Silicon Laser Using a Photonic Crystal High-Q Nanocavity
Yasushi Takahashi, Yoshitaka Inui, Takashi Asano, Susumu Noda
2013 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS (CLEO) 2013年
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Ultrahigh-Q photonic crystal nanocavities in wide optical telecommunication bands
Ryo Terawaki, Yasushi Takahashi, Masahiro Chihara, Yoshitaka Inui, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 20 ( 20 ) 22743 - 22752 2012年9月
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Statistical studies of photonic heterostructure nanocavities with an average Q factor of three million
Yuki Taguchi, Yasushi Takahashi, Yoshiya Sato, Takashi Asano, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 19 ( 12 ) 11916 - 11921 2011年6月
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First Observation of Raman Scattering Emission from Silicon High-Q Photonic Crystal Nanocavities
Yasushi Takahashi, Ryo Terawaki, Masahiro Chihara, Takashi Asano, Susumu Noda
2011 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS (CLEO) 2011年
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Observation of strong coupling between distant photonic nanocavities through a waveguide 査読
Yoshiya Sato, Yoshinori Tanaka, Jeremy Upham, Yasushi Takahashi, Takashi Asano, Susumu Noda
2010 23RD ANNUAL MEETING OF THE IEEE PHOTONICS SOCIETY 545 - 546 2010年
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Effects of fluctuation in air hole radii and positions on optical characteristics in photonic crystal heterostructure nanocavities
Hiroyuki Hagino, Yasushi Takahashi, Yoshinori Tanaka, Takashi Asano, Susumu Noda
PHYSICAL REVIEW B 79 ( 8 ) 2009年2月
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Increasing the Q Factor and Controlling the Resonant Wavelength of Photonic Crystal Nanocavities
Yasushi Takahashi, Tomoaki Sugiya, Shota Yamada, Yuki Taguchi, Takashi Asano, Susumu Noda
2009 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS AND QUANTUM ELECTRONICS AND LASER SCIENCE CONFERENCE (CLEO/QELS 2009), VOLS 1-5 52 - + 2009年
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Higher-order resonant modes in a photonic heterostructure nanocavity
Yasushi Takahashi, Yoshinori Tanaka, Hiroyuki Hagino, Takashi Asano, Susumu Noda
APPLIED PHYSICS LETTERS 92 ( 24 ) 2008年6月
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Enhanced Light Emission from Silicon Photonic Crystal Nanocavity
Masayuki Fujita, Yoshinori Tanaka, Yasushi Takahashi, Susumu Noda
2008 5TH IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON GROUP IV PHOTONICS 359 - 361 2008年
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High-Q photonic nanocavity with a 2-ns photon lifetime
Yasushi Takahashi, Hiroyuki Hagino, Yoshinori Tanaka, Takashi Asano, Susumu Noda
2008 CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS & QUANTUM ELECTRONICS AND LASER SCIENCE CONFERENCE, VOLS 1-9 3110 - 3111 2008年
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High-Q nanocavity with a 2-ns photon lifetime
Yasushi Takahashi, Hiroyuki Hagino, Yoshinori Tanaka, Bong-Shik Song, Takashi Asano, Susumu Noda
OPTICS EXPRESS 15 ( 25 ) 17206 - 17213 2007年12月
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Biexciton gain and the Mott transition in GaAs quantum wires
Yuhei Hayamizu, Masahiro Yoshita, Yasushi Takahashi, Hidefumi Akiyama
PHYSICAL REVIEW LETTERS 99 ( 16 ) 2007年10月
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Room-temperature excitonic absorption in quantum wires 査読
Yasushi Takahashi, Yuhei Hayamizu, Hirotake Itoh, Masahiro Yoshita, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West
APPLIED PHYSICS LETTERS 87 ( 22 ) 223119 - (1-3) 2005年11月
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Strong photoabsorption by a single-quantum wire in waveguide-transmission spectroscopy 査読
Yasushi Takahashi, Yuhei Hayamizu, Hirotake Itoh, Masahiro Yoshita, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West
APPLIED PHYSICS LETTERS 86 ( 24 ) 243101 - (1-3) 2005年6月
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Imaging of emission patterns in a T-shaped quantum wire laser 査読
Yasushi Takahashi, Shinichi Watanabe, Masahiro Yoshita, Hirotake Itoh, Yuhei Hayamizu, Hidefumi Akiyama, Loren N. Pfeiffer, Ken W. West
APPLIED PHYSICS LETTERS 83 ( 20 ) 4089 - 4091 2003年11月
MISC
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野田 進, 田中 良典, 高橋 和, 浅野 卓
應用物理 77 ( 2 ) 150 - 154 2008年2月
受賞
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Optics Express Editor's pick
2025年4月 Optica Demonstration of enhanced Raman scattering in high-Q silicon nanocavities operating below the silicon band-gap wavelength
Yu Shimomura, Takashi Asano, Ayumi Ishihara, Susumu Noda, and Yasushi Takahashi
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Optics Express Editor's pick
2023年4月 Optica Raman silicon nanocavity laser with efficient light emission from the edge of an adjacent waveguide
Yuki Saito, Takashi Asano, Susumu Noda, and Yasushi Takahashi
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第13回関西支部貢献賞
2021年3月 応用物理学会関西支部
高橋和
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丸文学術賞
2014年3月 一般財団法人丸文財団
高橋和
共同研究・競争的資金等の研究
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高Q値シリコンナノ共振器の内部吸収損失解明とデバイス機能拡張
研究課題/領域番号：21H01373 2021年04月 - 2024年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
高橋 和
配分額：17290000円 （ 直接経費：13300000円 、 間接経費：3990000円 ）
研究初年度は、当初計画に従って、シリコンナノ共振器の吸収損失の正体と消去メカニズムの解明を、近赤外低温カソードルミネッセンスによる欠陥分析、欠陥を消去する熱処理の最適化、顕微分光測定によるデバイス評価を三位一体で行い進めた。その結果、主要な3つの研究テーマ、①動作波長の短波化、②Q値向上、③CMOS互換プロセスで作製されたデバイスの機能拡張において、着実な進歩が得られた。
①初年度より、1.2 um帯においてシリコンラマンレーザ発振を確認することができた。これは、シリコンラマンレーザの最短波長となる。1.5 um帯のラマンレーザよりもQ値が低かったにも関わらず、同等の低い閾値が得られた。ラマンレーザの動作波長を短くすると、高性能化が可能なことが実証できた。当初計画を上回り、1.08 umで動作する高Q値ナノ共振器を作製して、2万以上のQ値を得た。シリコンのバンドギャップよりも高いエネルギーにおいて、1万以上の高Q値が得られたことは、シリコンフォトニクスの新たな可能性として重要である。
②ナノ共振器の最高Q値である1100万の更新はできなかった。しかしながら、熱処理を最適化することにより、CMOS互換プロセスで作製したナノ共振器の最高Q値を、250万から350万に更新することができた。大量作製が可能なCMOSプロセスで作製したナノ共振器でもこれほど高いQ値が得られたことにより、シリコンナノ共振器の応用が進むだろう。
③CMOS作製したシリコンラマンレーザの閾値も、熱処理を最適化することにより、従来の半分まで低減できた。レーザ発振するサンプルも、歩留まり50%以上で得られた。ラマンレーザの実用化研究を加速させる成果である。予想以上に研究が進んだため、CMOS作製したシリコンナノ共振器の応用範囲を広げるために、産業界で大きな問題となっている空間電荷を検知する研究を進めた。 -
高品質フォトニック結晶素子におけるインコヒーレント光励起誘導ラマン利得の研究
研究課題/領域番号：18H01479 2018年04月 - 2021年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
高橋 和
配分額：17550000円 （ 直接経費：13500000円 、 間接経費：4050000円 ）
実用的なナノ共振器シリコンラマンレーザの開発に向けて研究した。インコヒーレント光によるナノ共振器からのラマン散乱スペクトルとコヒーレント光によるスペクトルを比較した。ラマンレーザ発振に期待が持てる結果が得られたが、インコヒーレント光では発振に十分な量の光を共振器内に注入できなかった。目的達成には発振閾値を下げる必要がある。そこで機械学習により設計Q値を高めたナノ共振器、閾値を半減できる短波長帯ラマンレーザ、ヘテロ反射ミラー付きラマンレーザを開発した。予期しない成果として、インコヒーレント光で励起されたシリコンナノ共振器による空間電荷センサ開発が有望な応用であることを実証した。
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ナノ共振器シリコンラマンレーザーの光利得機構の解明と発振特性評価
研究課題/領域番号：15H05428 2015年04月 - 2018年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(A)
高橋 和, 野田 進, 金光 義彦, 浅野 卓, 岡野 誠, 井原 章之
配分額：24570000円 （ 直接経費：18900000円 、 間接経費：5670000円 ）
半世紀の間、シリコンを用いたレーザ光源開発は、夢の科学技術と言われてきた。本課題では，2013年に研究代表者らが開発した高Ｑ値フォトニック結晶ナノ共振器を用いた超低閾値・超小型シリコンラマンレーザの発振メカニズムを研究した。精緻な顕微分光技術を用いて、共振波長の時間シフトがレーザ性能に大きな影響を与えることを突き止めた。さらに、新たな分光法を開発して、その利得スペクトル測定に成功した。卓越した微細加工技術も利用して、動作波長依存性、温度依存性，結晶方位依存性を調べ、その発振特性を包括的に明らかにした。それらの知見をもとに構造改良をおこなったところ、従来以上の作製歩留まり、出力増大が得られた。
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異なる波長帯で動作するシリコン光素子の1チップ集積
研究課題/領域番号：15K13326 2015年04月 - 2017年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
高橋 和, 野田 進, 浅野 卓
配分額：4030000円 （ 直接経費：3100000円 、 間接経費：930000円 ）
本研究では、異なる厚みを有するシリコン基板を作製して、異なる波長帯で動作する光素子を、単一チップ上に集積することを目指した。
１年目は、サブナノメートル精度でシリコン基板を薄膜化するプロセスを開発した。つづいて、異なる厚みを有するシリコン基板を作製した。
２年目は、この基板上に、1310nm帯と1550nm帯で動作する2つの高Q値ナノ共振器を同時に作製して、両者でQ値200万以上を達成した。さらに、シリコンラマンレーザの集積化にも実現して、当初計画を大幅に上回る成果を得た。Q値200万は、単一チップでも達成困難であり、ラマンレーザは、作製難易度が極めて高い素子である。今後は本技術の産業移転を行う。 -
シリコンフォトニック結晶ナノ共振器の性能向上と非線形光学効果の増強
研究課題/領域番号：23686015 2011年04月 - 2015年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(A)
高橋 和, 野田 進, 浅野 卓
配分額：27040000円 （ 直接経費：20800000円 、 間接経費：6240000円 ）
本研究課題では，第一に，次世代光デバイスとして期待されているシリコンフォトニック結晶ナノ共振器の重要な性能指数であるQ値を向上すること、共振波長のばらつきを低減することを目指し，第二に、ナノ共振器による非線形光学効果の増強を調べた．4年間におよぶ研究の結果，ナノ共振器のQ値を250万から900万まで向上して，共振波長のばらつきを1 nm強から0.2 nmまで低減することに成功した．さらに，この高Q値ナノ共振器を用いて，従来の1万分の1以下の閾値と素子サイズを持つ超低閾値，超小型シリコンラマンレーザーの開発に成功し，高Q値ナノ共振器における非線形効果の増強機構を明らかとした．
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高Ｑ値シリコンフォトニック結晶ナノ共振器における誘導ラマン散乱の増強
研究課題/領域番号：23104721 2011年04月 - 2013年03月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
高橋 和
配分額：6760000円 （ 直接経費：5200000円 、 間接経費：1560000円 ）
本課題では、高Q値シリコンナノ共振器における誘導ラマン散乱の増強の基礎学理を、共振器のQ値／波長／電磁界分布／対称性、競合する非線形効果まで考慮して、体系的に調べることを主目的としてきた。多くの非線形現象の中から、誘導ラマン散乱を選択した理由は、間接遷移型半導体であるシリコンにおいて、光増幅やレーザー発振を可能とする実用上魅力的な現象だからである。更に、単結晶シリコンは大きなラマン利得係数を持ち、微細加工技術が成熟している利点から研究遂行可能と考えた。
本年度は、ついに、シリコンラマンレーザーの室温連続発振に成功した。発振閾値は、１マイクロワットで、これはインテルのラマンレーザーの２万分の１である。さらに、デバイスサイズは１０万分の１程度である。これは、前身の公募研究から継続して行ってきた、「ナノ共振器における誘導ラマン散乱増強メカニズムの基礎学理」を確立できたことが大きい。特に、電磁界分布の対称性、空間分布、ラマンテンソル、結晶方位の４つのパラメーターが関わる複雑な増強メカニズムを正確に理解できたことが本年度の一番の成果である。その他、昨年度までの成果である、①共振器内の2つの共振モードの周波数差をシリコンのラマンシフトである15.6 THzに共鳴させる共振器構造、および周波数差の微調方法を確立したこと、②誘導ラマン散乱を測定するための顕微光学系を構築して、実際にラマン散乱の増強を高感度でスペクトル測定できたこと、③世界最高Q値を持つナノ共振器の作製方法を開発していたこと、④その光物性を根底から理解していたこと、以上４つの成果によりレーザー発振が達成できた。残念ながら、研究人材が不足していたため、予定していたポンププローブ測定は行うことができず、今後の課題として持ち越された。
なお、試料作製の一部と理論研究は、京都大学野田進研究室の協力を得て行った。 -
シリコンフォトニック結晶光ナノ共振器におけるラマン効果の増強に関する研究
研究課題/領域番号：21104512 2009年 - 2010年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
高橋 和
配分額：8450000円 （ 直接経費：6500000円 、 間接経費：1950000円 ）
本課題は、LSIテクノロジーの更なる進化に重要と期待されているSiベースの光LSIチップにおいて、不可欠な構成要素と思われるSiレーザやSi光増幅器を念頭に置いて、高Q値シリコン(Si)フォトニック結晶光ナノ共振器におけるラマン効果増強を実証することを目的とした。平成22年度は21年度に得られた成果を発展させて(1)ナノ共振器の動作波長を1.25μm以下まで拡大、(2)Q値に比例したラマン散乱光の増強を確認、(3)最高Q値を430万まで更新、(4)2つの高Q共振モードの周波数差をSiのラマンシフトである15.6THzに一致させる技術開発という4つの成果を得た。以下にその重要性と意義を記す。尚、主な論文発表は23年度に行ってゆくこととなる。
(1)Siフォトニクスの応用範囲を広げていくには、様々な波長で動作するナノ共振器が必要である。21年度にQ値100万以上を持つナノ共振器の動作波長を1.55μmから、1.37μmまで短波化したが、それ以上の短波化は技術的に困難だった。今回、独自にSOI基板薄膜化プロセスを開発して、その動作波長域を1.25μmまで拡大することに成功した。測定の都合でこれ以上短波化した試料を調べられなかったが作製は可能と思われる。
(2)Q値100万を持つSiナノ共振器からのストークスラマン散乱が、フォトニック結晶導波路を用いる場合に比べ4桁低い励起強度、2桁以上高い効率で起こることを観測した。また、この増強はQ値に比例することも確認した。更に、Siラマンレーザへの利用が期待される高次エネルギーモードからも散乱光を観測した。これらは、省電力Siラマンレーザ開発に繋がる成果である。
(3)ナノ共振器におけるラマン効果増強に肝要となるナノ共振器の世界最高Q値をこれまでの360万から430万まで向上することに成功した。日本以外のグループで100万以上の報告はない。
(4)ナノ共振器中の複数の高Qナノ共振モードの周波数差を15.6THzに拡げることに成功するとともに、周波数差の微徴技術を開発した。 -
フォトニック結晶の動的制御と新機能の創出
研究課題/領域番号：20226002 2008年 - 2012年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(S)
野田 進, 浅野 卓, 田中 良典, 高橋 和
配分額：208130000円 （ 直接経費：160100000円 、 間接経費：48030000円 ）
本研究では、 フォトニック結晶の特性を時間領域で動的に制御することにより、 新光機能を創出し、「フォトニック結晶ダイナミクス」とも呼ぶべき新しい学術分野構築のための基盤を築くことを目的として研究を行った。その結果、
(1) 光ナノ共振器の Q 値の動的制御により、光パルスをナノ共振器へ捕獲、保持および放出すること、
(2)フォトニック結晶光導波路の動的制御により、光パルスの波長を変化させるとともに、パルスを選択的に共振器に結合・放射させるなどの新たな機能を実証することに成功した。