2022 Fiscal Year Annual Research Report
SiCフォトニックナノ共振器を用いた高度な光制御の研究
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21F51048
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
浅野 卓 京都大学, 工学研究科, 准教授 (30332729)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
KIM HEUNGJOON 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
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| Project Period (FY) |
2021-11-18 – 2024-03-31
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| Keywords | フォトニックナノ共振器 / シリコンカーバイド / カラーセンター / 量子光学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
SiC中のカラーセンターは、単一光子源やスピンフォトンインターフェースの実現に有望な量子発光体である。その中でも、ミリ秒単位の長いスピンコヒーレンスタイムを持つV2センターは非常に魅力的である。このV2カラーセンターは、通常のSiC基板ではc軸方向に双極子モーメントを持ち、917nmでゼロフォノン遷移を示すため、その自然放出や光による操作を増強するためには、917nmで動作するTM偏光のナノ共振器必要となる。これについては昨年度、2次元ロッド型PC層とホール型PC層からなるTE/TMの両偏光にフォトニックバンドギャップ(PBG)を有する2層フォトニック結晶(PC)スラブを用いることで実現可能であることを理論的に示した。
また本年度は、この2層PCを作製するために、まずロッドを形成し、次にロッド層の下にホールを形成する2段階のエッチング方法を考案した。これによりSiCスラブに構造を作製し、白色光源（0.45～2μm）を用いて917nm付近のTEおよびTMのPBGを観察することに成功した。また、この2層PCに線欠陥導波路と光ナノ共振器を形成し、白色光源を用いて局在モードの探索を行ったが、白色光源では様々な波長の光が激しく散乱するため、モードを見つけることができなかった。そこでまず帯域の広い波長可変レーザーが使用できる光通信帯域で、本構造の導波路と共振器の動作をまず確認することを目指して、約2倍の大きさに構造を設計し直したうえで、2段階エッチング法に調整を加えることで、バルクSiC基板にこれを形成することに成功した。また、共振波長調整のためのマイクロヒータの作製条件を検討し、その形成に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究実績概要で述べたようにSiCカラーセンターは非常に魅力的であるが、その自在な活用のためには917nm帯で動作するTM偏光SiCナノ共振器が必要となる。このナノ共振器は、我々が提案した2次元ロッド型PC層とホール型PC層からなる2層SiC PCスラブの設計を用いることで実現可能である。この2層PCを作製する手法として、まずロッドを形成し、次にロッド層の下にホールを形成する2段階のエッチング方法を考案し、これによりSiCスラブに提案したフォトニック結晶構造を作成することに成功した。また白色光源（0.45～2μm）を用いて850~910nm程度の帯域でTEおよびTMのPBGを観察することに成功した。また、この2層PCに線欠陥導波路とTM偏光ナノキャビティを形成し、白色光源を用いて導波路とナノキャビティのモード探索を行ったが、白色光源では様々な波長の光が激しく散乱するため、モードを見つけることができなかった。そこで、(a)より大きな構造を作って通信波長帯域での動作をまず確認しつつ、(b)917nm付近で十分な波長帯域を持つ可変波長レーザを立ち上げるという戦略への転換を行い、(a)についてはバルクSiC状への構造の作製まで終えることができた。（構造サイズが2倍ほどになったことで、2段階エッチング条件の調整に予想以上に手間取ってしまった。）また、次年度に予定していたマイクロヒータの形成については先行して条件を検討し、その作製に成功した。
このように構造の作製自体は順調に進み、フォトニックバンドギャップの実証にも成功したものの、導波路および共振器の測定に問題が生じて戦略の変更を余儀なくされたため、やや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度の検討により2段階エッチングの手法は確立し、提案構造による900nm帯のSiCフォトニック結晶を形成することに成功した。また白色光源を用いたフォトニックバンドギャップ帯域の観測にも成功した。しかしながら、900nm帯域で利用可能な可変波長レーザの帯域が限られていたため、白色光源を用いた測定に頼らざるを得ず、そのため共振器や導波路に共鳴した波長の光のみを入射して、これらに光が共振器に共鳴して局所的に光が集まっている様子や、導波路に局在して伝搬している様子など確認することができなかった。そこで今後は、(A)広い可変波長帯域を持つレーザーが利用できる光通信波長帯域で提案構造の共振器 ・導波路を作製してその動作を確認しつつ、(B)900nm帯の可変波長帯域の広いレーザを立ち上げて、900nm帯のフォトニック結晶共振器・導波路の動作を確認する、という2つの手法を用いて提案構造の動作を確認する。（A）についてはバルクSiC基板を用いた作製法の確立まではできているが、実際に共振器や導波路として動作しうるSiCスラブへの作製はできていないので、そこから開始する。また、これまでの研究に伴う様々な調査によりSiCのカラーセンターはフォノンとの相互作用が非常に強いことが分かってきたので、フォノンが共振器と発光体の相互作用に与える効果を定量的に分析できる理論の構築を試みる。また昨年度作製条件を確立したマイクロ電気ヒータを共振器付近に導入し、加熱による共振波長の制御を可能にする。最後にこれらを統合して、欠陥準位の発光波長と共振器の共鳴波長を一致させ、その際の発光強度の変化などを詳しく調べる。
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