量子ドットとフォトニック結晶を用いた量子光回路に関する研究

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集積性は、量子コンピュータなどに代表される大規模な量子回路を構築する際に必須と考えられる要素である。自己形成量子ドットを基盤とした系は、半導体加工技術を駆使することで高い集積性を実現可能であり、非常に有望である。しかし、量子ドットは空間的、周波数的ばらつきを有し、設計通りの光回路系を構築することが難しい。そこで本研究では、空間位置・共振周波数を調整可能な高Q値フォトニック結晶ナノ共振器を、オンデマンドで且つ、In-situで作製可能な手法提案している。そのような共振器が実現出来れば、必要な量子ドットに対して位置・周波数を調整した共振器を結合させ、共振器-量子ドット-光導波路系からなる所望の量子光回路を構築することができると期待される。今年度は、上述の課題において最も重要な、オンデマンド高Q値フォトニック結晶ナノ共振器の設計、作製、そして量子ドットとの結合状態の観測を試みた。そして低温化において共振器の形成を確認し、その振る舞いについて分析を行った。まず、GaAsフォトニック結晶導波路上に光誘起屈折率変化が可能なカルコゲナイドガラスを装荷した場合を想定し、微小な屈折率変化によりどのような共振器が形成されるか調べた。時間領域有限差分法を用いた計算により、屈折率0.03の変化を与えた場合、Q値約700万、モード体積0.05μm3の共振器が形成可能なことを明らかにした。次に、電子線描画リソグラフィー等によって前述の構造を実際に作製し、低温顕微分光実験を行った。レーザー(633nm,直径2um)照射による屈折率変化を与え、そのフォトルミネッセンススペクトラムを観測した。レーザー照射後には狙い通り、共振器由来の2つのピークが観測されていることが分かった。これは量子ドットからの発光が共振器と結合してから外部に放出された結果と考えられる。共振器のQ値は共に8000程度であった。