2017 Fiscal Year Research-status Report
高精細集束イオンビーム装置を用いた高Q値ダイヤモンド微小共振器の実現
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16K04918
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
高島 秀聡 京都大学, 工学研究科, 助教 (00432162)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 微小共振器 / ダイヤモンド / マイクロデバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、物質と光との強い相互作用の実現のため、高Q値微小共振器の開発が盛んに行われている。このような高Q値微小共振器の作製には、シリカガラスなどの透明材料が用いられてきた。しかし、シリカガラスは、非線形性が小さいため、波長変換などの非線形光学現象を実現することが難しい。近年、非線形性が高く、物理的・化学的に安定、さらに、紫外域から赤外域まで透明な材料として、ダイヤモンドが注目されている。そこで、本研究では、高精細集束イオンビーム装置を用い、ダイヤモンドを加工し、高Q値微小共振器の作製を目指す。これにより、超低消費電力レーザー、高効率波長変換素子といった従来の性能を凌駕する光デバイスに加え、量子情報通信用光源である、単一光子源や量子もつれ光源などの実現が期待できる。
平成29年度は、時間領域差分（FDTD）方を用いて、マイクロリング共振器に光を入出力するためのグレーティングカプラの計算を行った。その結果、3.5の屈折率を仮定した場合、約50%の効率、1.98の屈折率を仮定した場合、約25%の効率が得られることがわかった。これらの結果から、ダイヤモンドの場合、25%から50%の間の効率が得られると推測できる。
また、今年度は、予備実験として、高精細集束イオンビーム装置を用い、直径が数百ナノメートルの石英ガラス上に光共振器の作製を行った。その結果、最大で、測定装置の分解能リミットとなる4170のQ値を達成することに成功した。
さらに、ダイヤモンド上に共振器を作製する場合、表面のチャージアップが問題となる。このチャージアップを抑制するため、エスペイサーや酸化インジウムスズのコーティングについて検討を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
近年、物質と光との強い相互作用の実現のため、高Q値微小共振器の開発が盛んに行われている。従来、このような微小共振器を作製するため、シリカガラスなどの透明材料が用いられてきた。しかし、シリカガラスには、非線形性が小さいという問題がある。一方、ダイヤモンドは、物理的・化学的に安定、紫外域から赤外域まで透明、さらに、非線形性が高いという特徴を持つ。そこで、本研究では、高精細集束イオンビーム装置を用い、ダイヤモンドを加工し、高Q値微小共振器の作製を目指す。これにより、超低消費電力レーザー、高効率波長変換素子といった従来の性能を凌駕する光デバイスに加え、量子情報通信用光源である、単一光子源や量子もつれ光源などの実現が期待できる。
当初の予定では、今年度は高精細集束イオンビーム装置を用いて、ダイヤモンド上に共振器を加工することを予定していた。しかし、高品質のダイヤモンドの選別に時間がかかったことと、加工装置が一時的に不安定になったため、共振器を加工するところまで達成することが困難だった。また、ダイヤモンドは固い材料のため、加工中のチャージアップが問題になることがわかったことも、当初の予定より、やや進捗が遅れた理由である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、ダイヤモンド表面に、ITOやエスペイサーをコートし、高精細集束イオンビーム装置を用いたダイヤモンド基板の加工が可能なことを明らかにする。また、原子間力顕微鏡を用いて、加工した表面形状の評価を行う。
次に、昨年度までの計算を元に、グレーティングカプラ構造を持つリング共振器や、Whispering gallery modes (WGM's)を利用した微小共振器の開発を行う。また、微小共振器のQ値は表面状況に大きく依存する。そのため、加工したダイヤモンド共振器表面に、ポリマーや石英ガラスなどをコートした場合のQ値の変化について検討を行う。
これらに加え、ダイヤモンド共振器のQ値を評価するためのシステム開発を行う。具体的には、波長可変レーザー、もしくは、広帯域光源を用い、ダイヤモンド共振器に光を入力し、透過光強度を測定する。それにより、作製した共振器のQ値の評価を行う。
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| Causes of Carryover |
（理由）当初の研究計画では、時間領域差分（FDTD）法の計算を行うため、シミュレーションソフトウエアを購入する予定であった。しかし、研究室既存のソフトウエアを利用しても計算が可能なことがわかり購入を中止した。また、高精細集束イオンビーム装置に不具合が発生したため、今年度は本研究課題で支払を行う必要がなかった。
（使用計画）
作製したダイヤモンド共振器の評価を行うため、分光器や制御用のコンピュータ、解析用のソフトウエアの購入を検討する。また、情報収集のため、国際学会への参加を検討する。
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