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2021 年度 実績報告書

Development of rare-earth oxide based optical amplifiers and lasers integrated on Si by using magnetic light-matter interactions

研究課題

研究課題/領域番号 19H02207
研究機関日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所

研究代表者

徐 学俊  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 主任研究員 (80593334)

研究分担者 後藤 秀樹  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 企画, 所長 (10393795)
俵 毅彦  日本大学, 工学部, 教授 (40393798)
尾身 博雄  大和大学, 理工学部, 教授 (50257218)
澤野 憲太郎  東京都市大学, 理工学部, 教授 (90409376)
稲葉 智宏  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 研究員 (90839119)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
キーワード希土類イオン / 光増幅器 / レーザー / シリコンフォトニクス / 光導波路 / ナノ共振器
研究実績の概要

The SiN/(ErGd)2O3/SOI strip-loaded waveguides have been optimized towards net optical gain. Er concentration was reduced to ~10^20 cm-3 by changing growth conditions. (ErGd)2O3 layer thickness was increased from 90 to 180 nm. With these efforts, propagation loss of ~2.3 dB/cm and confinement factor of >40% have been achieved. Moreover, optical signal enhancement of ~24 dB/cm has been obtained upon optical pumping, very close to the total loss (~26 dB/cm). This indicates that the active medium has been pumped to transparency and very close to the onset of net gain. Furthermore, it is also found that the population inversion ratio is continuously increased as Er concentration decreases. Therefore, net optical gain is highly expected if Er concentration is reduced further.
For realization of lasers, microring resonators based on the aforementioned waveguides have been demonstrated with high Q-factors (>10^5). Such high Q-factors indicate that the extra loss induced by microring is very small. Therefore, lasers can be readily achieved once net optical gain is obtained.
The fabricated waveguides and resonators have also been characterized at cryogenic temperature (~2.3 K). Ultra-narrow optical absorption and emission peaks (~ 100 GHz), as well as long lifetime (~10 ms) were observed, indicating high crystal quality of the (ErGd)2O3 layer and potentially long coherence time of Er ions. The materials and device structure demonstrated here are therefore also a promising platform for quantum optical devices.

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Low-loss erbium-incorporated rare-earth oxide waveguides on Si with bound states in the continuum and the large optical signal enhancement in them2021

    • 著者名/発表者名
      Xu Xuejun、Inaba Tomohiro、Tsuchizawa Tai、Ishizawa Atsushi、Sanada Haruki、Tawara Takehiko、Omi Hiroo、Oguri Katsuya、Gotoh Hideki
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 29 ページ: 41132~41132

    • DOI

      10.1364/OE.437868

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 167Er3+:Y2SiO5 における零磁場下での通信波長帯 Atomic Frequency Comb 時間多重量子メモリプロトコルの実証2022

    • 著者名/発表者名
      安井 翔一郎、平石 真也、石澤 淳、尾身 博雄、稲葉 智宏、Xu Xuejun、鍜治 怜奈、足立 智、俵 毅彦
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Er3+:Y2SiO5結晶上における表面弾性波の生成2022

    • 著者名/発表者名
      太田 竜一、徐 学俊、稲葉 智宏、眞田 治樹、石澤 淳、俵 毅彦、小栗 克弥、山口 浩司、岡本 創
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] 167Er3+:Y2SiO5 における Atomic Frequency Comb 多重量子メモリプロトコルの実証2022

    • 著者名/発表者名
      安井 翔一郎, 平石 真也, 石澤 淳, 尾身 博雄, 稲葉 智宏, Xuejun Xu, 鍜治 怜奈, 足立 智, 俵 毅彦
    • 学会等名
      第 57 回 応用物理学会北海道支部学術講演会
  • [学会発表] Optical coupling between Er3+ and integrated microring resonators on Si2021

    • 著者名/発表者名
      Masaya Hiraishi, Tomohiro Inaba, Xuejun Xu, Haruki Sanada, Tai Tsuchizawa, Atsushi Ishizawa, Takehiko Tawara, Hiroo Omi, Jevon Longdell, Katsuya Oguri, and Hideki Gotoh
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] 量子情報プラットフォームとしてのEr添加固体材料の開発2021

    • 著者名/発表者名
      俵 毅彦、平石 真也、稲葉 智宏、徐 学俊、太田 竜一、足立 智、尾身 博雄
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Photoluminescence Enhancement of Erbium Ions in Rare-earth Oxide Thin Films Using Si-based Microring Resonators2021

    • 著者名/発表者名
      M. Hiraishi, T. Inaba, X. Xu, H. Sanada, T. Tsuchizawa, A. Ishizawa, T. Tawara, H. Omi, J. Longdell, K. Oguri, and H. Gotoh
    • 学会等名
      International Symposium on Novel maTerials and quantum Technologies (ISNTT 2011)
    • 国際学会
  • [備考] 低損失希土類酸化薄膜導波路 及び光信号増強の実現

    • URL

      http://www.brl.ntt.co.jp/J/activities/file/annual_report/Annual_report_2021_J.pdf

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公開日: 2022-12-28  

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