| 研究課題/領域番号 |
15H05735
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
納富 雅也 東京工業大学, 理学院, 教授 (50393799)
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| 研究分担者 |
舘野 功太 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 機能物質科学研究部, 主任研究員 (20393796)
小野 真証 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, ナノフォトニクスセンタ, 研究主任 (80728197)
滝口 雅人 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, ナノフォトニクスセンタ, 研究主任 (90728205)
森竹 勇斗 東京工業大学, 理学院, 助教 (50783049)
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| 研究期間 (年度) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| キーワード | フォトニック結晶 / プラズモニクス / ナノワイヤ / グラフェン / ナノレーザ / オプトメカニクス |
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| 研究実績の概要 |
・本科研費プロジェクトでは、ナノワイヤ誘起フォトニック結晶技術を一つ柱として研究を行い、一昨年度に低温下でのレーザ発振を達成し、昨年度はPIN接合を持つナノワイヤで電流注入構造を実現した。今年度はこの構造で高速な変調信号光の発生(3Gbps)を実証し、Applied Physics Letters誌に論文発表した。ナノワイヤ発光素子を用いたGHz級の電流変調動作は世界初である。さらに、ナノワイヤ誘起フォトニック結晶に電流注入する構造の作製にも成功した。
・本科研費プロジェクトの中で、これまで20nm級の閉じ込めサイズを実現する深サブ波長プラズモニックMIM導波路を開発し、その上にグラフェンを装荷し、グラフェンの超高速可飽和吸収応答を増強することを目指した研究を行ってきた。昨年度より、フェムト秒パルスを用いた測定を行ってきたが、今年度は２層を装荷したグラフェン装荷MIM導波路素子において、従来のデバイスの性能を上回る超高速かつ超低消費エネルギーの全光スイッチ動作を達成した。
・昨年度よりナノスケールの光源としてシリコン中の銅不純物を用いた研究を行ってきたが、今年度は銅発光中心を持つシリコンオプトメカニカル共振器において、ナノ共振器の機械振動によって、銅発光中心の自然放出光レートを制御することに成功した。この効果は、機械振動により光共振器中が銅発光中心に対して引き起こすパーセル効果が変調され、その結果として自然放出光の動的制御が実現した。
・ナノマテリアルの光トポロジー構造への適用の研究を開始した。相変化材料であるGSTを用いた光トポロジー制御の検討を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本科研費計画では、ナノマテリアルによるナノフォトニクスの機能化を目指しており、ナノフォトニクス構造としてはフォトニック結晶ベースのものとプラズモニクスベースのものを研究してきた。フォトニック結晶ベースのものは、本科研費計画が開始する以前に基本技術を開発済みであったが、プラズモニクスベースの研究は本科研費プロジェクトの中で基本技術となる、シリコン導波路に結合した深サブ波長プラズモニックMIM導波路を開発し、その最初の応用例としてグラフェン装荷MIM導波路素子を提案し、圧倒的な光閉じ込め効果による相互作用増強の実証を目指してきた。今年度は、このグラフェン装荷MIM導波路素子を用いて、従来素子の性能を大幅に上回る超高速かつ超低消費エネルギー全光スイッチ動作を達成した。得られた性能は当初我々が想定していたものよりもさらに高速かつ低エネルギーであり、グラフェンに限らずあらゆる全光スイッチを上回っている。これは、優秀な非線形応答物性を持つグラフェンとサブ波長領域に閉じ込めが可能なナノフォトニクス構造の組み合わせによって初めて達成された性能であり、本科研費プロジェクトがまさに目指していた成果である。また、これと並行してプロジェクト開始当初から計画していたナノワイヤに機能性を内包させる研究においても、PIN接合付きのナノワイヤを用いた発光ダイオードでGHzを超える高速変調動作の達成にも成功した。また、直径が1ミクロン程度のマイクロワイヤを用いて、通信波長帯における室温レーザ発振も達成した。以上より、今年度は当初計画以上の成果が得られたと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
・来期は、グラフェン装荷デバイスのさらなる高度化をめざすととともに、２次元ナノ材料としてグラフェン以外の材料の適用検討も行う。
・また、グラフェン装荷フォトニック結晶にゲートをつけた素子を用いて、制御動作の実証を目指す。
・相変化材料であるGSTを用いてナノフォトニクス素子の特性を制御する研究を進め、特に光トポロジー特性の制御をめざす。並行して、他にも様々なナノフォトニクス構造で光トポロジー特性の制御を目指す。
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