理化学研究所

加藤ナノ量子フォトニクス研究室

研究内容:シリコン微小ディスク共振器とカーボンナノチューブの光結合

微小ディスク共振器とは、半導体もしくは誘電体でつくられる数マイクロメートルの大きさのディスク形の共振器です。この共振器中では、全反射によって光が内部でぐるぐる周回するwhispering-galleryモードというモードが存在することが知られています。共振条件を満たす波長に対して定在波が立ち、光を閉じ込めて増幅することができます。この共鳴モードは特に光導波路との相性がよく、シリコンの集積光回路において微小レーザーや光フィルター、スイッチング素子などととしての応用が考えられています。

本研究では、カーボンナノチューブのシリコン光回路への集積を目指す試みの一環として、一本のナノチューブとシリコンの微小ディスク共振器を組み合わせて光回路に組み込み可能なデバイスを作製しました。共振器のエバネッセント場との相互作用によってナノチューブの発光を制御し、その発光を共振器に結合させています。

device structure
デバイスの構造

微小ディスク共振器は、土台となるシリコン層、その上のシリコン酸化膜層、さらにその上の薄いシリコン層からなるSOI(silicon-on-insulator)基板から作製します。一般的な半導体の加工方法を使い、トップのシリコン層でディスク部分を形成し、その下の酸化膜層によってディスクを支えるポストを作ります。

SEM of a microdisk
微小ディスク共振器の電子顕微鏡像
PLE of a microdisk
微小ディスク共振器のフォトルミネッセンス励起分光

作製した微小ディスク共振器の周りにパターニングした触媒から、化学気相成長法によってカーボンナノチューブを成長させ、共振器の上に架橋させます。このようにして作製したデバイスに対して、フォトルミネッセンス測定を行いました。図のように、カーボンナノチューブの発光波長で鋭いピークが観測され、発光が共振器によって増幅されていることがわかります。さらにイメージング測定によって、ナノチューブから放出された光がディスク内を周回している様子を可視化しています。

PL of a nanotube on a microdisk
カーボンナノチューブを架橋させた微小ディスク共振器からの発光スペクトル
PL image of a sample
発光スペクトルによるイメージング

本研究の詳細については、こちらの論文を参照してください。
Optical control of individual carbon nanotube light emitters by spectral double resonance in silicon microdisk resonators S. Imamura, R. Watahiki, R. Miura, T. Shimada, Y. K. Kato Appl. Phys. Lett. 102, 161102 (2013). Link to publisher pdf