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カーボンナノチューブを利得媒体とするフォトニック結晶共振器レーザーの開発

研究課題

研究課題/領域番号 26870167
研究種目

若手研究(B)

配分区分基金
研究分野 光工学・光量子科学
ナノ構造物理
研究機関東京大学

研究代表者

嶋田 行志  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (20466775)

研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2016-03-31
研究課題ステータス 交付 (2014年度)
配分額 *注記
4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2015年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2014年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
キーワードフォトニック結晶 / ナノチューブ・フラーレン / 光物性 / ナノ材料
研究実績の概要

直接遷移型バンド構造を有する半導体的単層カーボンナノチューブは光通信波長帯で発光を示す。本研究ではこのナノチューブと共振器とを光結合させて室温でレーザー発振することを目指している。このためには1)ナノチューブ試料における光利得を高める工夫と2)共振器の局在道はモードと共振器モードをナノチューブの吸収・発光のそれぞれに同調させることを提案している。
研究の初年度はナノビーム共振器において孤立架橋ナノチューブと光結合させることに成功し、ナノチューブ発光の85%近くをナノビーム共振器に取り込ませることに成功した。一方で、シリコンフォトニック結晶共振器においてはフォトニックバンドギャップ外にある局在導波路モードをフォトニックバンドギャップ内にある共振器モードが空孔サイズ、格子定数などの設計値に応じて意のままに制御できることを世界で初めて示した。
これらは、ナノチューブが1)ナノ光源として有力であり2)シリコンフォトニック結晶などの共振器構造と極めて相性が良いことを強く支持する結果である。
初年度の結果を基に、幾つかのカイラル指数のナノチューブを狙って共振器構造を作成し、さらに飛躍的に光結合効率を高められることを今後実証していきたい。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の目論見どおりの共振器構造を作成することに成功し、それが有用であることを示すことができた。ナノチューブの光利得を高めるためにはナノチューブ試料の状態が重要であることも実証できた。今後、ナノチューブ試料と共振器構造の光結合効率を高めるための方針も概ね得ることが出来た。

今後の研究の推進方策

初年度で得られた共振器構造のモード設計に関する知見、ナノチューブ試料と共振器構造の光結合効率に関する知見、またこれらナノチューブ-フォトニックデバイスを作製するために必要なプロセスに関する知見をもとに、狙ったナノチューブのカイラル指数に最適なフォトニックデバイス作製し、実証実験を行う。

次年度使用額の使用計画

継続的な研究のためにはフォトニック結晶デバイス作製のためのクリーンルーム費用が必要でありこれと、国内学会発表旅費に充当する計画である。

報告書

(1件)
  • 2014 実施状況報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (1件) 備考 (5件)

  • [雑誌論文] Gate-controlled generation of optical pulse trains using individual carbon nanotubes2015

    • 著者名/発表者名
      M. Jiang, Y. Kumamoto, A. Ishii, M. Yoshida, T. Shimada, Y. K. Kato
    • 雑誌名

      Nat. Commun.

      巻: 6 号: 1 ページ: 6335-6335

    • DOI

      10.1038/ncomms7335

    • 関連する報告書
      2014 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Localized guided-mode and cavity-mode double resonance in photonic crystal nanocavities2015

    • 著者名/発表者名
      X. Liu, T. Shimada, R. Miura, S. Iwamoto, Y. Arakawa, Y. K. Kato
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Applied

      巻: 3 号: 1 ページ: 014006-014006

    • DOI

      10.1103/physrevapplied.3.014006

    • 関連する報告書
      2014 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Ultralow mode-volume photonic crystal nanobeam cavities for high-efficiency coupling to individual carbon nanotube emitters2014

    • 著者名/発表者名
      R. Miura, S. Imamura, R. Ohta, A. Ishii, X. Liu, T. Shimada, S. Iwamoto, Y. Arakawa, Y. K. Kato
    • 雑誌名

      Nat. Commun.

      巻: 5 号: 1 ページ: 5580-5580

    • DOI

      10.1038/ncomms6580

    • 関連する報告書
      2014 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Localized Guided-Mode and Cavity-Mode Double Resonance in Photonic Crystal Nanocavities2015

    • 著者名/発表者名
      Xuqing Liu, Takashi Shimada, Ryohei Miura, Satoshi Iwamoto, Yasuhiko Arakawa, Yuichiro K. Kato
    • 学会等名
      APS March Meeting 2015
    • 発表場所
      San Antonio, Texas, USA
    • 年月日
      2015-03-05
    • 関連する報告書
      2014 実施状況報告書
  • [備考] 一本のカーボンナノチューブとフォトニック結晶の高効率光結合 UTokyo Research

    • URL

      http://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/research-news/efficient-optical-coupling-of-single-carbon-nanotubes-to-photonic-crystals/

    • 関連する報告書
      2014 実施状況報告書
  • [備考] 一本のカーボンナノチューブとフォトニック結晶の高効率光結合を実現 東京大学プレスリリース

    • URL

      http://www.t.u-tokyo.ac.jp/pdf/2014/20141125_kato.pdf

    • 関連する報告書
      2014 実施状況報告書
  • [備考] 一本のカーボンナノチューブとフォトニック結晶の高効率光結合を実現 Laser Focus World

    • URL

      http://ex-press.jp/lfwj/lfwj-news/lfwj-science-research/5841/

    • 関連する報告書
      2014 実施状況報告書
  • [備考] 東大、CNT発光を共振器に効率良く取り込む技術を開発-85%以上に効率化 日刊工業新聞

    • URL

      http://www.nikkan.co.jp/news/nkx0720141126eaaq.html

    • 関連する報告書
      2014 実施状況報告書
  • [備考] カーボンナノチューブ発光体と高効率で結合する極めて小さいモード体積のフォトニック結晶ナノビーム共振器

    • URL

      http://www.natureasia.com/ja-jp/ncomms/abstracts/59396

    • 関連する報告書
      2014 実施状況報告書

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公開日: 2014-04-04   更新日: 2023-03-23  

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