| 研究課題/領域番号 |
16K06294
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
太田 泰友 東京大学, ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構, 特任准教授 (90624528)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 量子光学 / 量子ドット / フォトニック結晶 / 量子情報 / 量子光回路 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、ナノ精度の転写プリント法を開拓することで、量子ドット発光を光回路へ効率よく結合させる技術の開発を進めている。また、それにより異なる光源から発生した光子間の量子干渉を、チップ上で観測することを目指している。
今年度は、まず有限差分時間領域法などを用いた数値計算により最適な共振器構造の検討を進めた。そして、ガラスクラッド上でも高いQ値を実現できる１次元ナノビーム共振器の利用を決めた。また、同様の数値計算により光導波路とナノビーム共振器間の距離に関する最適化を進め、300nm程度が適していることを明らかにした。次に、ガラス埋め込みGaAs光細線導波路の作製を進め、転写プリントとスピンオングラス埋め込みを組み合わせた手法による作製技術を立ち上げた。また同時に転写プリント装置の構築を行い、高い光学分解能で試料を観察しつつ転写プリントできる装置を開発した。一方で、量子ドットを含む１次元ナノビーム共振器の作製も進め、ガラス上で２万以上の高いQ値を示すサンプルの作製に成功した。
そして、これらの要素技術を統合し、埋め込み光導波路上へ、ナノビーム共振器を転写する実験を進めた。位置精度向上のためのソフトウェア開発は未熟ではあるものの、同構造をおおよそ100nm程度での位置ずれで転写することができることが分かった。
次に作製した試料の光学特性を低温顕微分光システムにより評価した。顕微鏡イメージ像および発光スペクトルの観測から、量子ドット発光の共振器を介した光導波路への効率的な結合を確認した。また、量子ドットにおける寿命短縮効果(Purcell効果)を導波路を介して観測することに成功した。
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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
量子ドットからの発光を効率的に光導波路へ結合させることに成功した。この本研究における最重要技術を迅速に構築できたことで、計画を前倒ししつつ、より発展的な研究に取り組むことができると見込んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
(I)ナノ精度転写プリント法の開拓：現時点で転写プリント装置はおおよそ100nm程度の位置合わせ精度を有している。一方これは、主に人間が位置ずれを予測してフィードバックをかけて得た位置精度であり、またまだ改善の余地が大きいと考えられる。今後は、ソフトウェア的に画像処理を行うことでより正確なフィードバックを行い、より高精度な転写プリントの実現を目指す。一方、転写プリント装置における光学顕微鏡の改良もさらに進める。例えば、より短波長の照明を利用するか、より開口数の大きい対物レンズの利用を検討する。また、転写プリントに長い時間をかけているとある程度サンプルが劣化する可能性があることが分かった。この対策として、より高速な転写プリント手法を検討するとともに、グローブボックスなどに転写プリント装置を移設し、不活性ガス中での転写作業を検討する。
(II)高性能導波路上単一光子源技術の開発：複数個光源の同時集積に向けた実験を加速する。特に、波長が揃い、共振器によく結合した量子ドット試料の選別作業を進める。かなりの数の試料を当たる必要があるため、適宜自動化する手法も検討する。また、量子相関測定や時間分解発光測定を通じて、事前に転写後の試料の良し悪しを評価・予測する技術の構築を図る。また、光回路上での量子ドット発光波長の微調技術として、光励起によるマイクロヒーターの集積を進める。具体的にはナノビーム共振器に繋がったパッドへ、位置合わせ光リソグラフィーによる金属(Cr)蒸着を行う。
(III)チップ上単一光子間干渉の実証：上述した研究の進み具合を見つつ、適宜導波路上への複数集積を目指した研究を進め、光回路チップ上での単一光子間干渉の実証を目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
転写プリント装置に関して、自動化を行う前にその位置精度等の確認を先んじて進めたところ、
想定以上の転写精度が出たため、そのまま試料を作製した。そして、まず作製した試料の光学測定を優先して進めたため、主に装置改造費用に関して未使用分が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
研究計画の進展に合わせて転写プリント装置の改良を進めるとともに、より高度な光回路実現に向けた作製プロセスおよびその評価のための光学測定系の構築を進める計画である。
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