2021 Fiscal Year Final Research Report

On-chip photon-electron coherent coupling using rare-earth oxide film optical waveguides

Research Project

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Project/Area Number	19H02636
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research Institution	Nihon University (2021) NTT Basic Research Laboratories (2019-2020)
Principal Investigator	TAWARA Takehiko 日本大学, 工学部, 教授 (40393798)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	足立智北海道大学, 工学研究院, 教授 (10221722) 後藤秀樹日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 企画, 主席研究員 (10393795) 尾身博雄大和大学, 理工学部, 教授 (50257218) 徐学俊日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 主任研究員 (80593334) 章国強日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 主任研究員 (90402247) 稲葉智宏日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 研究員 (90839119)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	量子メモリ / 希土類 / 導波路
Outline of Final Research Achievements	Aiming to demonstrate the operation of solid-state on-chip quantum optical memory, we studied the realization of optical-electronic quantum coherent coupling using a 167Er-doped rare earth oxide thin film waveguide structure on a Si substrate at telecom-band light. By designing a new slot-type optical waveguide that propagates light through a low-refractive-index layer and optimizing the structure, a propagation loss of 2.3 dB/cm was achieved, which is much lower than the target of 10 dB/cm. In addition, quantum optical memory operation with a high efficiency of 3.5% for a memory time of 0.5 μs under a zero magnetic field was achieved using 167Er-doped rare-earth oxide bulk crystals. These results contribute significantly to the realization of thin-film waveguide quantum optical memory.
Free Research Field	光物性
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	量子情報通信ネットワークの実現に向け、世界的に熾烈な研究開発が進められている中で、様々な要素技術が実用レベルまで進歩しつつある。一方で量子中継に必須となる固体量子ノード、特に量子光メモリの研究が他と比べ遅れをとっている。この課題を解決する手段として、我々は通信波長帯光子と直接リンクでき、かつ成熟したSiフォトニクス技術とも親和性が高いSi基板上167Er添加希土類酸化薄膜導波路構造に着目した。今回得られた成果は量子光メモリおよびグローバル量子インターネットの実現に大きく近づく成果である。