フォトニック集積回路(PIC)は、多くの新興技術の中核として急速に発展している研究分野であり、量産可能で安定かつ高い堅牢性を備え、コンパクトな光回路を幅広い応用に対して実現してきました。しかし、室温で単一光子を生成する量子光源をチップ上にスケーラブルに集積する技術が不足しているため、量子フォトニック集積回路の発展は依然として制限されています。カーボンナノチューブ(CNT)は有望な候補として提案されてきましたが、純粋な量子状態の光子を生成・操作するために不可欠な厳しい条件のため、機能する量子フォトニクス回路での実証には至っていません。本研究では、CNT ベース量子 PIC 応用に向けた技術的出発点として、こうしたツールの開発を目指しています。

まず、スペクトル、寿命、偏光、フォトルミネッセンス(PL)、自己相関測定を含む詳細な励起子解析の結果、単一欠陥を有する(6,5)カーボンナノチューブがチップ集積に有望な選択肢として同定されました。

CNTと回路の結合解析のため、フォトルミネッセンス測定セットアップに統合可能なフォトニック集積回路の評価プラットフォームを構築しました。続いてクリーンルームにて複数のフォトニック回路作製プロセスを開発し、カプラ、共振器、干渉計、導波路、グレーティング、キャビティなど多様なフォトニックナノ構造を実現しました。さらにCNTをドロップキャスト法に加え、アントラセンスタンピングなどの決定論的配置手法により実装し、グレーティングキャビティ上でこれらの回路と結合させました。

これによりパーセル効果による発光増強が得られ、導波路への光子放出がより鋭く、かつ増幅されることを示しました。最後に、リチウムニオベート導波路回路に決定論的に配置したCNTにおいて、室温での単一光子放出と導波路結合が示されました。本プラットフォームは、電気光学変調器プロセスにも容易に展開可能です。

本研究の詳細は以下をご参照ください：
C. Deleau, C.F. Fong, F.L. Sebastian, J. Zaumseil, Y. K. Kato 量子応用に向けた単一欠陥カーボンナノチューブ光子源の導波路回路への集積 ACS Photonics 13, 4539 (2026).