慶大,シリコン上に通信波長帯CNT光源を作製


慶應義塾大学は,単層カーボンナノチューブ(CNT)をシリコンチップ上に形成した光デバイス(シリコンフォトニクス)と融合し,通信波長帯の光のみで駆動する狭線幅光源を実現した(ニュースリリース)。

CNTは通信波長帯で発光することに加え,室温かつ通信波長帯での単一光子源が実現可能なことから,量子暗号などの量子情報応用も期待されている。

しかし,これまでのシリコン上でのCNT光デバイスは,シリコン光回路とのダイレクトな結合を実現していないものが多く,結合した素子においても,チップ上部からの外部光励起や通信波長以外の波長での励起駆動など,オンチップの光デバイス化が困難だった。

今回,研究グループは,通信波長帯である1.55µm帯で発光するCNTをシリコンフォトニクス上に形成した発光デバイスを開発した。ここでは,幅440nmの直線シリコン導波路に対して,10または20µmのリング共振器やディスク共振器を配置したシリコンフォトニクスデバイスを作製し,この共振器上の一部にCNTをダイレクトに形成した。

この光デバイスに,励起光として通信波長帯の波長1.3µmの光をシリコン光導波路に入射した場合,共振器の共振波長を満たす励起光がシリコン導波路を通じてインラインで共振器に入射され,励起光が共振器内に閉じ込められる。この励起光によってCNTを高効率で光励起し,1.55µm帯の増強されたフォトルミネッセンス(PL)発光を得た。

CNTからのPL発光も共振器内で閉じ込められることから,共振波長を満たすPL発光のみがシリコン光導波路へ取り出され、狭線幅化された通信波長帯PL発光をチップ上からインラインで取り出すことに成功した。励起光の非共振条件ではCNTからの発光が全く得られないのに対して,共振条件では非常に強く狭線幅の発光が得られた。また,共振器が無い通常のPL発光と比べた場合,34倍の発光増強が得られることも分かった。

ディスク形状を有するディスク共振器を用いて同様のPL発光測定を行なったところ,さらなる狭線幅化に成功し,5700というQ値が得られた。実用的に重要となるインライン・通信波長帯でのデバイスとしては,これまでで最も高いQ値であり,高品質な光デバイスであることが示された。

この技術により,CNTをシリコンフォトニクス用光源として利用することが可能となることから,シリコンフォトニクスをベースにした光集積回路・光インターコネクトや,室温・通信波長帯で動作可能な量子暗号チップなどへの応用が期待されるとしている。

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