固体ナノ共振器中の光電子相互作用のNEMS制御と量子情報素子への応用

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本研究では固体中における光と物質の量子力学相互作用を制御するため高Q値フォトニック結晶(PhC)共振器の共振Q値制御を目的にしている。これまでにPhC共振器とマイクロ・ナノメカニカル機構(MEMS/NEMS)を組み合わせることでQ値3,500から14,000という広範囲なQ値制御に成功している。本手法ではこれまで問題視されてきた熱と余剰キャリアの生成を抑えることが可能であり、既存のレーザーを用いた制御手法に比べ広範囲な領域にわたるQ値制御が可能であると考えられる。しかし、PhC共振器と導波路の結合を利用する本手法では、Q値制御の際に共振波長の変化が生じる問題であった。本年度は結合モード方程式に基づく数値解析を行うことでQ値制御の際に生じる波長変化の原因を明らかにした。結合モード方程式による結果と数値解析による結果との良い一致から、共振器モードの波長変化が共振器モードと導波路モードとの結合によって生じていることを特定した。また導波路構造にPhC導波路を用いて導波路モード分散を変化させることにより、波長変化の生じないQ値制御が可能であることを明らかにした。PhC導波路において導波路分散を最適化することによって、共振器と導波路の間隔を100nmから200nmに変化する際に波長変化量を0.1pm以下に低減できることを示した。本研究成果はQ値制御PhC共振器の制御性を拡張することが可能であり、光電子相互作用の自在な制御へ向けた基盤技術の一つと位置づけられる。