単層カーボンナノチューブは室温で通信帯域の発光を示し、 シリコン基板上に直接成長 させることができるため、半導体産業で利用される微細加工技術を用いた光デバイス開発・研究の分野である”シリコンフォトニクス”における発光素子として注目されています。これまでに、シリコン微小共振器と組み合わせることで、カーボンナノチューブからの発光を増強したり、光通信において重要である、発光スペクトルの狭線幅化が可能になっています。 オンチップデバイス化に向けた次のステップとして、他の光デバイスと相互にアクセスできるようにするために、共振器によって増強された光を光導波路に結合することが重要です。また、単一光子発光などのカーボンナノチューブ特有の光学特性を利用するためには、清純に保たれた単一のカーボンナノチューブを使用する必要があります。

本研究では、単一のカーボンナノチューブを導波路に結合したシリコン微小共振器に集積しました。有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いて共振器と導波路の設計を行い、 空気モードフォトニック結晶ナノビーム共振器 の片側の穴の数を減らして光閉じ込めを弱めることで、光が一方向に導波するようにしました。カーボンナノチューブは、化学気相成膜法を用いてSiO2/Si基板上に成長させたのち、乾燥スタンプ転写法を使って共振器上に転写しました。

私たちは、ナノビーム共振器上のカーボンナノチューブからの発光を直接測定するトップ検出測定と、導波路に結合した発光を収集するサイド検出測定の2つの手法を用いてデバイスの フォトルミネッセンス特性 を評価しました。まず、トップ検出測定を用いて、共振器と結合している単一のカーボンナノチューブを探索しました。その結果、左下図のように、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デバイスが得られました。そのようなデバイスに対して、次に、ナノビーム導波路端面から放出される発光をサイド検出測定を用いて調べました。右下図にあるように、カーボンナノチューブの広いスペクトルは抑制され、共振器によって増強された鋭いピークを持つ成分のみが導波路を通って放出されていることがわかりました。このような導波路結合光は、シリコン基板上に集積された様々な光部品や、光ファイバに容易に接続することができ、単一カーボンナノチューブ光デバイスの応用性を広げることができます。

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。
D. Yamashita, H. Machiya, K. Otsuka, A. Ishii, Y. K. Kato Waveguide coupled cavity-enhanced light emission from individual carbon nanotubes APL Photonics 6, 031302 (2021).