超高Q 共振器の幅狭化

倉持栄一 谷山秀昭 田辺孝純 新家昭彦 納富雅也
量子光物性研究部

 我々はフォトニック結晶(PhC) 幅変調線欠陥ナノ共振器により100万を超えるQ 値を実現済みである[1]。PhC共振器最大の利点は共振モード体積が波長スケールと極めて小さいことであるが、従来の設計は光閉込にフォトニックバンドギャップを使うため厚いPhCバリア層を要し、実際の共振器サイズは波長スケールよりもはるかに大きくなる問題があった。
 本研究では横方向の光閉込を長い空気スロットによる屈折率閉込で置き換えることを試みた。一方PhCバリア層は線欠陥方向のモードギャップ閉込を与えるために不可欠であるが、横方向の閉込は空気スロットが行うので薄くできる。本手法により従来設計の共振器の高Q 値特性をPhCバリアを相当薄くしても維持できることを明らかにした。
 図1にエアスロットを配置し中央で線欠陥幅変調を行った新設計によるSi-PhC共振器の電子顕微鏡像と共振モードスペクトルを示す[2]。作製プロセスの改良によりバリアが厚い場合のQ 値は180万に向上している。新設計ではバリアを4穴列(q =4) まで薄くしても130万、さらに3穴列(q =3) にしても52万のQ 値が得られた。図2に空気スロットの有無によるQ 値のPhCバリア厚さ依存性の比較結果を示す。空気スロットなしではバリア厚が薄いと光がトンネル効果で漏れてしまいQ 値が低下してしまうが、空気スロットがあると屈折率閉込により漏れの増加を最小限に留められるので、Q 値を維持できることを示している。ごく最近、共振器構造のさらなる最適化によりバリア厚3穴列で100万、2穴列でも32万のQ 値が得られた[3]。
 本研究により、高Q共振器を含むPhCの実サイズをQ 値を維持したまま大幅に縮小することが可能になった。また、新共振器構造は共振器部分が細長いビーム構造になっているので、機械振動子などのMEMS構造への応用が容易で、輻射圧・勾配力等の光学的な応力を利用するOpto-mechanicsの研究への発展が期待される。

[1] Kuramochi et al., Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 041112.
[2] Kuramochi et al., Appl. Phys. Lett. 93 (2008) 111112.
[3] Kuramochi et al., The 8th International Photonic & Electromagnetic Crystal Structures Meeting (PECS-VIII), Sydney, Australia (April 2009).
 

図1  バリア厚q が4列、3列のときの各顕微鏡像と共振モードスペクトル。
 
図2  実験Q 値のPhCバリア幅依存性(エアスロットの有無の比較)。

【前ページ】 【目次へもどる】 【次ページ】