野崎謙悟 田辺孝純 新家昭彦 松尾慎治* 佐藤具就* 谷山秀昭 納富雅也
量子光物性研究部 *NTTフォトニクス研究所
フォトニック結晶 (PhC) により形成される高Q 値と微小体積V を有する光ナノ共振器は、光と物質の強い相互作用を可能にするため、様々なアクティブ機能素子の低パワー動作が期待される。例えば、光によるキャリア励起により非線形屈折率変化を起こし、別の光の経路をスイッチングするといった全光制御が可能であるが[1]、制御に必要な光エネルギーはV/Q に比例するため、PhCナノ共振器は非常に有効な母体となる。本研究では、強いキャリア非線形性を示すInGaAsPをベースとして、極めて微小なPhCナノ共振器を形成することにより、従来SiおよびGaAs系PhC共振器で実証されていた全光スイッチに比べて非常に低いエネルギーでの光制御を実現した[2]。
図1(a)、(b)は作製した素子の上面写真と光透過スペクトルである。2つの円孔をわずかにシフトさせることで形成されるH0共振器は、PhC共振器の中でも特に微小であり、理論計算されたモード体積は0.025 µm3である。ポンプ−プローブ法により測定されたスイッチ動特性を図2に示す。プローブ光の波長をモードピークに合わせた場合、プローブ光の透過率はポンプ光と重なった瞬間に低下し（スイッチオフ動作）、一方、プローブ光波長をモードの短波長側に合わせた場合は逆に透過率は増加する（スイッチオン動作）。これはキャリア非線形により共鳴モードが短波長シフトするためである。微小モードによる局所的なキャリア生成と高速なキャリア拡散のため、最小スイッチング時間窓は20 psと短い。3 dBの消光比に必要なポンプ光エネルギーは約0.4 fJであり、これは従来の全光スイッチに比べて2桁以上低い値である。
本成果により、PhCナノ共振器は低消費電力、高速、高密度にオンチップ集積可能な光制御素子として優位であることが示され、光スイッチだけでなく、光メモリや光検出器、変調器などあらゆる光エレメントへの展開が期待される。
本研究の一部は科学技術振興機構CRESTの援助を受けて行われた。
[1] T. Tanabe et al., Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 151112..
[2] K. Nozaki et al., Nature Photon. (in press).
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