希土類酸化膜光導波路によるオンチップ光子-電子コヒーレント結合

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H02636
• 研究機関: 日本大学
• 研究代表者: 俵 毅彦 日本大学, 工学部, 教授 (40393798)
• 研究分担者: 足立 智 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10221722) ; 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, 主席研究員 (10393795) ; 尾身 博雄 大和大学, 理工学部, 教授 (50257218) ; 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) ; 章 国強 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 (90402247) ; 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 / 量子メモリ / 通信波長

研究実績の概要

研究計画に挙げた3つの課題のうち、②Si/167Er:REO/Siスロット導波路の形成と導波路特性評価については、目標に掲げていた伝搬損失10dB/cm以下を大きく下回る2.3dB/cmを達成した（Optics Express誌に発表済み）。この導波路構造を用い、課題①167Er:REOの成長とコヒーレンス時間T2の評価を進めているが、結晶成長における添加167Er濃度の最適化に時間を要しており、期間内でのコヒーレンス時間T2の評価には至らなかった。しかしながら明瞭な167Erの各準位の光吸収や発光増強は観測されており、低損失スロット導波路構造が非常に効果的に機能しており、コヒーレンス時間T2の評価には今後速やかに達成できるものと考えている。
また課題③通信波長帯光子での量子コヒーレント結合とメモリ動作の実証については、①の進捗が遅れているためオンチップデバイスでの達成はならなかったが、167Er添加バルクY2SiO5結晶においてレーザー周波数の超高精度安定化によるコヒーレンス時間T2の精密評価の実現（Optics Express誌に発表済み）や、Atomic Frequency Comb法を適用したメモリ動作に成功した（現在論文査読中）。この結果ではゼロ磁場下であるにもかかわらず、光を0.5μsの間3.5%という非常に高い効率でメモリすることに成功している。この手法はそのままオンチップデバイスに適用することが可能であるため、課題①の進捗と合わせ、早急に実現を目指していく。

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

• [国際共同研究] University of Otago(ニュージーランド)
  • 国名: ニュージーランド
  • 外国機関名: University of Otago
• [雑誌論文] Precise spectroscopy of ¹⁶⁷Er:Y₂SiO₅ based on laser frequency stabilization using a fiber laser comb (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasui S.、Hiraishi M.、Ishizawa A.、Omi H.、Kaji R.、Adachi S.、Tawara T.
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 29 ページ: 27137～27137
  • DOI: 10.1364/OE.433002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 them (2021)
  • 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] Remarkable Improvement of Atomic-Frequency-Comb Memory Efficiency by Comb Transfer Method in 167Er3+:Y2SiO5 under Zero Magnetic Field (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Yasui, M. Hiraishi, A. Ishizawa, H. Omi, T. Inaba, X. Xu, R. Kaji, S. Adachi, T. Tawara
  • 学会等名: CLEO2022
  • 国際学会
• [学会発表] 167Er: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] 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: 2022年春季応物学会
• [学会発表] 167Er: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, Xuejun Xu, 鍜治怜奈, 足立智, 俵毅彦
  • 学会等名: 2022年春季応物学会
• [学会発表] Strain-Mediated Energy Control of Rare-Earth Ions Toward a Highly-Coherent Hybrid Opto-Mechanical System (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Ohta, L. Herpin, V. Bastidas, T. Tawara, H. Yamaguchi, H. Okamoto
  • 学会等名: CLEO2021
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of Homogeneous Linewidth of 167Er:Y2SiO5 in Frequency Domain Measurement using Laser Stabilization with Optical Frequency Comb (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Yasui, M. Hiraishi, A. Ishizawa, H. Omi, R. Kaji, S. Adachi, T. Tawara
  • 学会等名: 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Frequency and Time Domain Measurements of 167Er3+:Y2SiO5 by Stabilizing the Optical Frequency Using a Fiber Laser Comb (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Yasui, M. Hiraishi, A. Ishizawa, H. Omi, R. Kaji, S. Adachi, T. Tawara
  • 学会等名: International Symposium on Novel Materials and Quantum Technologies (ISNTT2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Photoluminescence Enhancement of Erbium Ions in Rare-earth Oxide Thin Films Using Si-based Microring Resonators (2021)
  • 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, H. Gotoh
  • 学会等名: International Symposium on Novel Materials and Quantum Technologies (ISNTT2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Micromechanical Control of the Optical Resonances of Erbium Ions (2021)
  • 著者名/発表者名: R. Ohta, L. Herpin, V. M. Bastidas, T. Tawara, H. Yamaguchi, H. Okamoto
  • 学会等名: International Symposium on Novel Materials and Quantum Technologies (ISNTT2021)
  • 国際学会
• [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: 2021年秋季応物学会
  • 招待講演
• [学会発表] Optical Coupling between Er3+ and Integrated Microring Resonators on Si (2021)
  • 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, H. Gotoh
  • 学会等名: 2021年秋季応物学会
• [図書] Hybrid Quantum Systems (2021)
  • 著者名/発表者名: (Editors) Y. Hirayama, K. Ishibashi, K. Nemoto (Authors) T. Tawara, et al.
  • 総ページ数: 347
  • 出版者: Springer Nature
  • ISBN: 978-981-16-6681-0
• [備考] 日本大学工学部電気電子工学科光通信デバイス研究室ホームページ
  • URL: http://www.ee.ce.nihon-u.ac.jp/~tawara/index.html