研究紹介
丸文学術賞 受賞者
太田 泰友

慶應義塾大学 理工学部物理情報工学科准教授

量子ドットを有するナノフォトニック構造の高品質化と機能実現
ものづくりの進化が可能にする物理探求と応用開拓

研究の背景

す３つの内容にまとめることができる。

面にとって重要な進展と位置付けられる。

ナノフォトニクスは、
光物質相互作用の探1. 高Q値ナノ共振器による光物質相互作

2. ハイブリッド集積量子ナノフォトニクス
光集積回路を用いた光量子情報処理求といった基礎物理からレーザーや光集積用の探求回路など幅広い応用までを支える基盤学術

フォトニック結晶ナノ共振器は、高い共振が注目されている。一方、従来の限られたである。同分野の発展には、光の振る舞い器Q値と回折限界に迫る小さなモード体積材料のみで構成される光集積回路ではスの深い理解と微細な光学構造を精緻に形を同時に実現可能なことから、光物質相互ケーラブルな量子光回路の実現が難しい成する技術の進展が必要不可欠であり、産作用の物理探求に適した最も重要なプラッとされ、異種材料を融合したハイブリッド光学官を問わず世界中で研究開発が競われトフォームの一つである（図1）。本研究では、集積回路が必要になると考えられている。ている。中でも化合物半導体によるナノフォ素子作製プロセスを一から見直し、独自の本研究では、転写プリント法を用いた光回トニック構造は、情報通信の基幹素子であ表面パッシベーション手法を取り入れること路上へのナノ光量子素子のハイブリッドる発光・受光デバイスから光量子情報処理

で、Q値が10万を超えるGaAsフォトニック結【6】。
集積技術を開発した（図3）
同手法でに必要な量子光源まで、現在・未来の応用晶ナノ共振器の形成技術を実現した【1】。
まは、中空構造に形成したナノ光素子を透にとって最も重要な光学構造の一つと位置た、同系を単一量子ドットと結合させること明な粘弾性ゴムによりピックアップし、導付けられている。

で、量子ドット共振器量子電磁力学における波路上へ転写集積する。素子の接着は

本研究では、化合物半導体によるナノ強結合領域での世界最高性能指数を実現

主にファンデルワールス力を用いており、材料系に依存しない自在な光集積が可フォトニック構造の形成技術を開拓するととした【2】。性能指数の向上は、様々な量子電もにその応用展開を目指した。特に、３次元磁力学現象を観測・制御する上で本質的に能である。これまでの研究で、量子ドットを的な量子閉じ込め構造であり優れた発光体重要なものである。実際、高品質に形成され内包したGaAsナノビーム共振器をシリコである量子ドットを内包したナノ光構造の形た量子ドット−ナノ共振器系を用いることで、ンフォトニクス光回路に集積し、単一光子成を行い、同系で発現する興味深い光物質高次の自然放出過程である二光子自然放を生成することに成功している【7】。その他相互作用の物理探求と応用技術の開拓を出を固体量子系としてはじめて観測することにも、単一プラズモン光源【8】やシリコン上進めた。

【3】。に成功した（図2）
さらには、真空ラビ分量子ドット共振器量子電磁力学系【9】など

裂スペクトラムにおけるファノ干渉の観測【4】のハイブリッド集積デバイスを転写プリント

研究の成果やレーザー出力特性に閾値動作を示さない法により実現することに成功している。そ無閾値レーザー発振【5】などを実現している。の汎用性を鑑みれば、転写プリント法はナ本研究で得られた主な成果は、以下に示

これらの成果は、基礎物理と工学応用の両ノフォトニック構造の形成技術を今後も大図1 フォトニック結晶ナノ共振器

図2 二光子自然放出を示す発光スペクトル図3 転写プリント法によるナノ光素子のハイブリッド集積化合物半導体基板きく発展させるものであると期待される。
3. 半導体トポロジカルナノフォトニクス

シリコンフォトニクス光回路

れらの成果は、トポロジカルフォトニクスの工デバイスの革新が間違いなくあるだけでな学応用を拓くとともに、その物理に深化をもく、量子情報処理、VR/AR、LIDAR、光イたらすものである。

ンターコネクト、Beyond 5Gなど、ナノフォトトポロジカルフォトニクスにおいては、波数ニクスが関わる数多の応用も大きく拓ける空間における光バンドのトポロジーに着目す将来の展望ものであると考えている。
謝辞ることで、新しい光閉じ込め機構が次々と発見されている。
それらトポロジカル光モードに半導体ナノフォトニクスの発展にはものは擾乱に強いという特徴があり、構造不完づくりにおける進化が欠かせない。
これから本研究の遂行にあたっては、非常に多く全性に起因する光学損失等が課題となるも新しい材料や構造が新しい物理と応用をの方々にご支援・ご助力を頂いた。大学院

集積フォトニクスへの応用が期待されてい生み出し続けると思われる。その先端に立生時代からご指導を頂いている東京大学・る。本研究では、光集積応用に適した半導ち続けるためには、地道なものづくりに真摯荒川泰彦先生、岩本敏先生をはじめ、国内体トポロジカル ナノフォトニクスの分野を先に取り組む必要がある。そしてその先には、外の共同研究者や一緒に研究を進めた学駆的に開拓した。比較的大きな光学構造で光集積回路、レーザーや量子光源といった生の皆様に心より感謝を申し上げます。

行われていた先行研究を参考に、トポロジカ
ルナノ共振器を設計・作製し、量子ドットをゲイン媒質としたトポロジカルナノ共振器レーザーを実現した【10】。
さらには、図4に示す近赤外波長域で動作する２次元半導体フォトニック結晶が光高次トポロジカル絶縁体として動作することを見出し、実験的にトポロジカルコーナー状態の存在を示した【11】。
こ図4 光高次トポロジカル絶縁体とコーナー状態

References（参考文献 ）【1】K. Kuruma, Y. Ota, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y.
Arakawa, APL Photonics 5, 046106（2020）.
【2】Y. Ota, D. Takamiya, R. Ohta, H. Takagi, N. Kumagai,
S. Iwamoto, and Y. Arakawa, Appl. Phys. Lett. 112,093101（2018）.
【3】Y. Ota, S. Iwamoto, N. Kumagai, and Y. Arakawa,Phys. Rev. Lett. 107, 233602（2011）.
【4】Y. Ota, R. Ohta, N. Kumagai, S. Iwamoto, and Y.
Arakawa, Phys. Rev. Lett. 114, 143603（2015）.
【5】Y. Ota, M. Kakuda, K. Watanabe, S. Iwamoto, and Y.
Arakawa, Opt. Express 25, 19981（2017）.
【6】R. Katsumi, Y. Ota, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y.
Arakawa, Optica 5, 691（2018）.
【7】R. Katsumi, Y. Ota, A. Osada, T. Yamaguchi, T. Tajiri,
M. Kakuda, S. Iwamoto, H. Akiyama, and Y. Arakawa,
APL Photonics 4, 036105（2019）.
【8】A. Tamada, Y. Ota, K. Kuruma, K. Watanabe, S.
Iwamoto, and Y. Arakawa, ACS Photonics 6, 1106
（2019）.
【9】A. Osada, Y. Ota, R. Katsumi, M. Kakuda, S. Iwamoto,and Y. Arakawa, Phys. Rev. Appl. 11, 024071（2019）.
【10】Y. Ota, R. Katsumi, K. Watanabe, S. Iwamoto, and Y.
Arakawa, Commun. Phys. 1, 86（2018）.
【11】Y. Ota, F. Liu, R. Katsumi, K. Watanabe, K.
Wakabayashi, Y. Arakawa, and S. Iwamoto, Optica 6,786（2019）.