光集積回路は、さまざまな次世代技術を支える基盤として急速に発展しており、量産性、安定性、堅牢性に優れた小型の光回路を実現してきました。一方、光量子集積回路の実現に向けては、室温で単一光子を発生する量子光源を、拡張性の高い方法でチップ上に集積する技術がいまだ確立されていません。カーボンナノチューブは、その有力な候補の一つとして注目されてきましたが、高品質な量子光を生成・制御するためには厳密な条件が求められることから、実際に機能する光量子集積回路への集積はこれまで十分に実証されていません。本研究では、カーボンナノチューブを用いた光量子集積回路の実現に向け、その基盤となる技術の開発に取り組みました。

まず、発光スペクトル、発光寿命、偏光特性、フォトルミネッセンス、および光子相関の測定を行い、励起子の発光特性を評価しました。その結果から、チップに集積する単一光子源として有望な単一発光欠陥が導入された（6,5）カーボンナノチューブを選定しました。

次に、半導体微細加工技術により回折格子型結合器・共振器・導波路などの光素子を作製し、カーボンナノチューブと光回路との結合を評価するためのフォトルミネッセンス測定系と光集積回路評価測定系を融合した装置を構築しました。カーボンナノチューブについては、滴下による配置に加え、アントラセンを用いた転写法による決定論的な配置も行い、共振器をはじめとする光回路との結合を試みました。

その結果、光共振器との結合によってPurcell効果による発光増強が生じるとともに、スペクトル幅の狭い発光を効率よく光導波路へ結合できることを示しました。さらに、ニオブ酸リチウム光導波路回路上にカーボンナノチューブを決定論的に配置し、室温における単一光子発生と光導波路への結合を実証しました。本成果は、電気光学変調器との集積にも展開可能であり、室温動作する光量子集積回路の実現に向けた基盤技術となることが期待されます。

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 Photonic waveguide circuit integrated with carbon nanotube single-photon source operating at room temperature ACS Photonics, 13, 4539 (2026).