Photonic crystal nanolasers and their applications

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当初，本研究フェローはGaInAsPフォトニック結晶ナノレーザーラベルフリーバイオセンサの調査を計画していた．しかし主に目指していた単一分子蛍光を用いたセンシングメカニズムの解明が，ナノレーザ基板からの不要な背景蛍光によって困難なことがわかった．そこで研究の方向をトポロジカルフォトニクスデバイスの作製と実証に軌道修正して実施した．トポロジカルフォトニクスはノーベル物理学賞を受賞したトポロジカル絶縁体を拡張する概念であり，光物性に様々な可能性をもたらす期待があり，本研究はその中でも実空間ではなく，周波数空間にトポロジーを展開する人工次元をシリコンフォトニクスにより実証することを目指した．まず本フェローはシリコンフォトニクスにより実現できるリング共振型変調器を設計し，約20GHzの整数倍の自由スペクトル領域をもつスペクトル列が得られる素子をCMOSファウンドリサービスを利用して製作した．ここでは変調のためにPN接合変調部を内蔵し，その他の部分は幅広導波路によって可能な限り内部損失を抑制した．このリングを20GHzで変調したところ，最大280GHzの範囲のスペクトル列が励振された．波長に対する時間領域の位相変化を測定することで，人工次元のバンドを評価したほか，波長を離調させることで人工的な電界印加効果を発現させ，さらに20GHzと40GHzを合波させて変調し，それらの位相を変えることで人工的な磁界印加も発現させた．従来の同様の人工次元は光ファイバ回路かニオブ酸リチウムを用いており，それよりも集積性に優れるシリコンフォトニクスで実証できた初めての例になる．