近接場光相互作用を用いた超高集積光信号処理の研究

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本研究の目的は、ナノフォトニックデバイスの入力端子となる伝搬光・近接場光変換素子の開発である。本年度は、この変換素子に必要となるナノ寸法の光伝送路として半導体ナノドットカップラーの開発を目指し、研究を行なった。半導体ナノドットカップラーは同一寸法の量子ドットの近接した列と、その終端の共鳴エネルギー準位を持つ寸法が√<2>倍の大きな量子ドットからなる。近接場光を介した共鳴準位間の励起子エネルギー移動と、終端のドットでの散逸により移動を確定させることで光エネルギーを伝送する。本年度は、上記理論での動作を検証するためエネルギー移動と散逸を確認する実験を行った。CdSe/ZnSコアシェル量子ドットの、φ=2.8nmと(小)4.1nm(大)の共鳴準位を持つ2つのサイズを用いた。小のドットのみ(A)、小・大が混在する領域(B)を基板上に設け、60Kにおいてそれぞれの箇所からの発光強度の時間発展の比較を行った。まず小のドットからの発光強度を比較すると、Bの方がAよりも速く減衰することが確認できた。また、本来励起子寿命が小のそれよりも短い筈の大のドットからの発光が、発光開始直後で小よりも減衰が遅い様子が確認できた。これは、Bではエネルギー移動が起こったために小のドットの発光は減少し、移動したエネルギーが散逸したために大のドットの発光が増加したものと考えられる。さらにエネルギー移動の時定数と励起子の発光寿命を求めたところ、移動の時定数は130ps、小のドットの発光寿命は2.2ns、大のドットの発光寿命は1.8nsと求まった。これは、励起子からの発光よりも先に近接場光を介してエネルギー移動が起こったことを裏付けており、これにより予想した原理で半導体ナノドットカップラーが動作することを実証した。以上の成果から、伝搬光・近接場光変換素子は半導体ナノドットカップラーによって実現可能である。