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2011 Fiscal Year Annual Research Report

フォトニック結晶の動的制御と新機能の創出

Research Project

Project/Area Number 20226002
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

野田 進  京都大学, 工学研究科, 教授 (10208358)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 浅野 卓  京都大学, 工学研究科, 准教授 (30332729)
Keywordsフォトニック結晶 / 動的制御 / 光パルス停止 / 波長変換 / ダイナミクス
Research Abstract

本研究では、フォトニック結晶の特性を時間領域で動的制御することにより、新しい光機能を創出するとともに、「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の基礎を築くことを目指している。具体的には、A.光ナノ共振器のQ値の動的制御による光パルスの捕獲、保持および放出、B.導波路モードの動的制御による光パルス制御の2点を設定し研究を進めている。
A.に関しては、Siフォトニック結晶中に導入したナノ共振器とそれに隣接する一列埋めの線欠陥導波路、導波路の片端に反射鏡を導入した構造を利用し、共振器と反射鏡間の導波路にキャリアを生成して屈折率を変化させることで反射光の位相を制御することで、ナノ共振器と導波路の結合Q値を変化させるという方法を利用している。昨年度までに、4psのパルスを高効率で捕獲・保持し、さらに、任意のタイミングで出力用導波路に放出可能なことを示す結果を得ることに成功したが、同時に屈折率変化に用いているキャリアにより光吸収が生じるため、光の保持寿命が短くなることが明らかになった。そこで、本年度はキャリア寿命が10psと短いGaAs系材料を用い、(i)あらかじめQ値を高くしておき、(ii)光が共振器に結合する直前に、自由キャリアを利用してQ値を低下させる。このとき(ii)キャリア寿命が短いために、光が共振器に結合すると同時にキャリア減衰が生じQ値が再び上昇する結果、共振器に光が捕獲・保持されるというメカニズムを提案し、その実験的検証を行った。その結果、33psの保持寿命を得ることに成功した。これは、Siを用いて実験的に得られていた値と比較して2倍程度大きい値である。
B.に関しては、昨年度までに、フォトニック結晶導波路モードを動的に制御し、動的波長変換が可能であることを実証した。本年度は新たに、フォトニック結晶導波路中に瞬時に反射鏡を生成することで、光パルスを導波路中に捕獲することを目指した。フォトニック結晶導波路は、線欠陥部のみ伝搬可能な導波帯域と、その導波帯域よりも低周波数側に線欠陥部すらも伝搬できない禁制帯をもつ。ここで、導波路の一部の屈折率を動的に変化すると、その部分が導波帯から禁制帯に変化するため、導波路中に瞬時に反射鏡を生成することが可能となる。本年度は、制御光照射による自由キャリア生成を用いて、ピコ秒程度の非常に短い時間の間に、高速に反射鏡を生成可能となることを実験的に示すことに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

前述のように、本研究では、フォトニック結晶の特性の動的制御により新たな光機能を創出することを目指し、具体的な研究対象として、前項目で述べたA.B.の2つを設定した。これまでに、A.についてはは、光ナノ共振器のQ値の時間領域での増大、減少の実証と、光パルスの高効率捕獲、任意のタイミングでの放出に成功している。また、B.についても、導波路のモードの動的変化により、伝搬中の光パルスの波長の動的変化、さらにパルスの進路の選択的制御を実証することに成功している。このように、予定より早く当初の研究計画を十分に満足する結果が得られており、当初の計画以上に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

A.に関しては、本年度、自由キャリア寿命が10ps程度と短いGaAs材料を用いた新たな捕獲・保持法を提案し、実証したが、来年度は、超高性能微細加工技術が可能なSi系の材料に対してこのような機能を実現するべく、フォトニック結晶面内にPIN構造を形成し、電気的なキャリア引き抜き効果を導入し、自由キャリアによる光吸収の影響を極力避けことが可能なデバイスの実現を目指していく。また、自由キャリアによる光吸収の影響を避けることが可能な新構造の探索も進めていく。Bに対しては、来年度、フォトニック結晶導波路モードの動的制御の体系的な検討を進めていく。併せて、より将来の展開、すなわちオンチップ・オンデマンドな光制御の実現を目指し、チップ上に、複数のナノ共振器や、導波路を集積し、これらの結合を動的に生成したり、切断したりする技術を構築し、新たな量子チップ形成のための基盤技術の構築をも目指していく。

  • Research Products

    (38 results)

All 2012 2011 Other

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (30 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Strong coupling between distant photonic nanocavities and its dynamic control2012

    • Author(s)
      Y.Sato, Y.Tanaka, J.Upham, Y.Takahashi, T.Asano, S.Noda
    • Journal Title

      Nature Photonics

      Volume: 6 Pages: 56-61

    • DOI

      10.1038/NPHOTON.2011.286

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Control of emission of quantum dots embedded in photonic crystal nanocavity by manipulating Q-factor and detuning2012

    • Author(s)
      T.Nakamura, T.Asano, K.Kojima, I.Kojima, S.Noda
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 84 Pages: 245309

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.84.245309

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Time-resolved catch and release of an optical pulse from a dynamic photonic crystal nanocavity2011

    • Author(s)
      J. Upham, Y. Tanaka, Y. Kawamoto, Y. Sato, T. Nakamura, B. S. Song, T. Asano, and S. Noda
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: vol. 19 Pages: 23377-23385

    • DOI

      DOI:10.1364/OE.19.023377

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultra-fast reciprocal-space investigation of cavity-waveguide coupling2011

    • Author(s)
      M.Burresi, D.van Oosten, B.S.Song, S.Noda, L.Kuipers
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 36 Pages: 1827-1829

    • DOI

      10.1364/OL.36.001827

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Demonstration of two-dimensional photonic crystals based on silicon carbide2011

    • Author(s)
      B.S.Song, S.Yamada, T.Asano, S.Noda
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 19 Pages: 11084-11089

    • DOI

      10.1364/OE.19.011084

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Statistical studies of photonic heterostructure nanocavities with an average Q factor of three million2011

    • Author(s)
      Y.Taguchi, Y.Takahashi, Y.Sato, T.Asano, S.Noda
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 19 Pages: 11916-11921

    • DOI

      10.1364/OE.19.011916

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Experimental investigation of themo-optic effects in SiC and Si photonic crystal nanocavities2011

    • Author(s)
      S.Yamada, B.S.Song, T.Asano, S.Noda
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 36 Pages: 3981-3983

    • DOI

      10.1364/OL.36.003981

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] ナノ共振器・導波路結合系を用いたQED制御に関する検討2012

    • Author(s)
      彦山和久, 浅野卓, 中村達也, 小島一信, 児島貴徳, 野田進
    • Organizer
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京都
    • Year and Date
      2012-03-16
  • [Presentation] 2次元フォトニック結晶ナノ共振器のQ値の動的制御とストップライト-位相制御用共振器を用いた新たな捕獲・保持の提案-2012

    • Author(s)
      川本洋輔, 田中良典, 佐藤義也, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京都
    • Year and Date
      2012-03-15
  • [Presentation] 3連結合光ナノ共振器における動的結合制御2012

    • Author(s)
      佐藤義也, 鴻池遼太郎, 田中良典, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京都
    • Year and Date
      2012-03-15
  • [Presentation] 空間的に離れた結合光ナノ共振器間の断熱的光輸送2012

    • Author(s)
      鴻池遼太郎, 佐藤義也, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京都
    • Year and Date
      2012-03-15
  • [Presentation] 漏れモード解析によるマルチヘテロステップ共振器のQ値増大の検討2012

    • Author(s)
      瀬古口洋, 高橋和, 中村達也, 田中良典, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京都
    • Year and Date
      2012-03-15
  • [Presentation] SiCフォトニック結晶ナノ共振器における和周波発生2012

    • Author(s)
      山田翔太, 園木悠司, 宋奉植, 田中良典, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京都
    • Year and Date
      2012-03-15
  • [Presentation] 誘電体フォトニック結晶共振器・ナノ金属構造結合系における様々な相互作用の検討2012

    • Author(s)
      李潤植, 宋奉植, Chao Peng, 田中良典, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京都
    • Year and Date
      2012-03-15
  • [Presentation] フォトニック結晶スラブの機械振動モードの測定と評価2012

    • Author(s)
      Kang Dongyeon, 田中良典, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • Place of Presentation
      早稲田大学,東京都
    • Year and Date
      2012-03-15
  • [Presentation] Recent Progress in Photonic Crystals and Their Device Applications2012

    • Author(s)
      S.Noda
    • Organizer
      Photons, Electrons, Bands : A Symposium on the Diversity of Opto-Electronics
    • Place of Presentation
      UC Berkeley, California, USA(招待講演)
    • Year and Date
      2012-01-27
  • [Presentation] Control of the Puree effect of quantum dots embedded in photonic crystal nanocavity by manipulating Q-factor2012

    • Author(s)
      T.Nakamura, T.Asano, K.Kojima, T.Kojima, S.Noda
    • Organizer
      SPIE Photonics WEST 2012
    • Place of Presentation
      Moscone center, San Fransisco, USA
    • Year and Date
      2012-01-23
  • [Presentation] フォトニック結晶による光制御の現状2011

    • Author(s)
      野田進
    • Organizer
      大阪大学・丸文財団連携シンポジウム「最先端を走る研究者たちが語る日本の省エネ・創エネ」
    • Place of Presentation
      千里中央ライフサイエンスセンター,豊中市(招待講演)
    • Year and Date
      2011-12-17
  • [Presentation] Complete Suppression of Two-photon Absorption in SiC-based Photonic Crystal Nanocavities2011

    • Author(s)
      S.Yamada, B.S.Song, T.Asano, Y.Tanaka, S.Noda
    • Organizer
      JSPS International Schooling on Si Photonics
    • Place of Presentation
      Kyoto University, Kyoto, Japan
    • Year and Date
      2011-11-16
  • [Presentation] Optimization method of photonic crystal nanocavity to increase Q-factor2011

    • Author(s)
      T.Nakamura, Y.Takahashi, T.Asano, S.Noda
    • Organizer
      JSPS International Schooling on Si Photonics
    • Place of Presentation
      Kyoto University, Kyoto, Japan
    • Year and Date
      2011-11-16
  • [Presentation] Formation and dynamic control of strong coupling between distant photonic nanocavities through a waveguide2011

    • Author(s)
      Y.Sato, Y.Tanaka, J.Upham, Y.Takahashi, T.Asano, S.Noda
    • Organizer
      JSPS International Schooling on Si Photonics
    • Place of Presentation
      Kyoto University, Kyoto, Japan
    • Year and Date
      2011-11-16
  • [Presentation] Advanced Light Manipulation with Photonic Crystal Nanostructures2011

    • Author(s)
      S.Noda
    • Organizer
      The 1st International Symposium on Photonics and Electronics Convergence-Advanced Nanophotonics and Silicon Device Systems
    • Place of Presentation
      University of Tokyo, Tokyo, Japan(招待講演)
    • Year and Date
      2011-11-15
  • [Presentation] Inhibition of Two-photon Absorption in SiC-based Photonic Crystal Nanocavities2011

    • Author(s)
      S.Yamada, B.S.Song, T.Asano, Y.Tanaka, S.Noda
    • Organizer
      The 1st International Symposium on Photonics and Electronics Convergence-Advanced Nanophotonics and Silicon Device Systems
    • Place of Presentation
      University of Tokyo, Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2011-11-14
  • [Presentation] Optimization of Photonic Crystal Nanocavity via Visualization of Leaky Component2011

    • Author(s)
      T.Nakamura, Y.Takahashi, T.Asano, S.Noda
    • Organizer
      The 1st International Symposium on Photonics and Electronics Convergence -Advanced Nanophotonics and Silicon Device Systems
    • Place of Presentation
      University of Tokyo, Tokyo, Japan
    • Year and Date
      2011-11-14
  • [Presentation] 光子系・機械系双方に局在モードを有するナノ共振器の設計と評価2011

    • Author(s)
      田中良典, Kang Dongyeon, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-09-01
  • [Presentation] 結合光ナノ共振器の動的制御の単一光子レベルでの実験2011

    • Author(s)
      佐藤義也, 浅野卓, 田中良典, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-08-31
  • [Presentation] 結合光ナノ共振器におけるラビ振動の反転動作2011

    • Author(s)
      佐藤義也, 田中良典, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-08-31
  • [Presentation] フォトニック結晶ナノ共振器の高Q値化の設計指針(2)2011

    • Author(s)
      中村達也, 高橋和, 小島一信, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-08-31
  • [Presentation] 高Q値シリコン光ナノ共振器からのラマン散乱光測定(2)2011

    • Author(s)
      高橋和, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-08-31
  • [Presentation] SiCフォトニック結晶ナノ共振器における第二高調波発生(2)2011

    • Author(s)
      山田翔太, 宋奉植, 田中良典, 園木悠司, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-08-31
  • [Presentation] フォトニック結晶共振器・金属スプリットリング共振器結合系における磁気相互作用(2)2011

    • Author(s)
      李潤植, 宋奉植, Chao Peng, 田中良典, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-08-31
  • [Presentation] ヘテロ構造ナノ共振器の高エネルギーモードからのラマン散乱スペクトル(2)2011

    • Author(s)
      千原賢大, 高橋和, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-08-31
  • [Presentation] 高Q値ヘテロ構造ナノ共振器を用いたラマンレーザ構造の作製2011

    • Author(s)
      寺脇了, 千原賢大, 高橋和, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-08-31
  • [Presentation] 発光イメージを用いた単一量子ドットとフォトニック結晶ナノ共振器の高精度位置合わせ(2)2011

    • Author(s)
      児島貴徳, 小島一信, 浅野卓, 野田進
    • Organizer
      第72回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      山形大学,山形市
    • Year and Date
      2011-08-31
  • [Presentation] Nanocavities and Broad-Area Cavities2011

    • Author(s)
      S.Noda
    • Organizer
      CLEO/EUROPE-EQEC 2011 : The Conference on Lasers and Electro-Optics-European Quantum Electronics Conference
    • Place of Presentation
      ICM Center of the New Munich Trade Fair Centre, Munich, Germany(招待講演)
    • Year and Date
      2011-05-22
  • [Presentation] Manipulation of Photons by Photonic Crystals : Recent Progress and New Trends2011

    • Author(s)
      S.Noda
    • Organizer
      CLEO 2011 : The Conference on Lasers and Electro-Optics 2011
    • Place of Presentation
      Baltimore Convention Center, Baltimore, USA(基調講演)(招待講演)
    • Year and Date
      2011-05-04
  • [Presentation] First Observation of Raman Scattering Emission from Silicon High-Q Photonic Crystal Nanocavities2011

    • Author(s)
      Y.Takahashi, R.Terawaki, M.Chihara, T.Asano, S.Noda
    • Organizer
      CLEO 2011 : The Conference on Lasers and Electro-Optics 2011
    • Place of Presentation
      Baltimore Convention Center, Baltimore, USA
    • Year and Date
      2011-05-04
  • [Remarks]

    • URL

      http://www.qoe.kuee.kyoto-u.ac.jp/

URL: 

Published: 2013-06-26  

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