横尾篤 田辺孝純 倉持栄一 納富雅也
量子光物性研究部
フォトニック結晶により実現される光共振器は、高い光閉じ込め性能（Q値）を持ち、低動作パワーの光デバイスや光集積回路を実現するための基本パーツとして注目されている。従来、フォトニック結晶共振器は、高精度な電子ビームリソグラフィとドライエッチングプロセスにより作製されているが、従来プロセスにおいては、光共振器などフォトニック結晶中に組み込む機能性部位を、作製プロセス開始前のCADデータ中にデザインする必要があり、フォトニック結晶構造を作製した後に、機能の追加や変更を行うことは困難であった。
我々は、微細な探針（ナノプローブ）により、位置選択的に酸化物を形成するパターニング手法を使い、既存のシリコンフォトニック結晶線欠陥上に超高Ｑ共振器を新規形成することに成功した（図1）[1]。AFMリソグラフィ、もしくは、探針走査リソグラフィ(SPL)と呼ばれる本手法では、導電性探針と対象物との間に電圧を印加することで、陽極酸化反応による微細な酸化物パタン形成が可能である。フォトニック結晶表面への酸化物パターン形成や、フッ酸エッチングを使った酸化部位の除去による溝パタン形成により、局所的な屈折率変化を与えることができる。フォトニック結晶線欠陥におけるモードギャップ端周波数は、屈折率変化に対して敏感であるため、微小な屈折率変化
(Δn/n < 0.1 %) によって加工部におけるモードギャップ端周波数を変化させることができ、非加工部におけるモードギャップ端周波数との差によって共振器を形成することができる[2]。SPLとHFエッチングにより共振器を形成したサンプルの光透過スペクトルの共振幅からＱ値を算出した結果、本手法によって微小なモード体積
(0.2 µm3) を有する超高Q共振器（Q > 100万）が形成できることが確認された（図2）。この共振器における光子寿命は1.25 nsであることが確認されている。この結果は、フォトニック結晶構造作製後の追加工により超高Ｑ共振器を形成した初めての例であり、本手法によりフォトニック結晶線欠陥上の任意の位置に共振器を導入できることが証明された。さらに、本手法によるフォトニック結晶共振器において、従来プロセスによるフォトニック結晶共振器と同等の閾値パワーでの光双安定動作が可能であることが確認されており、光閉じ込め性能において、従来プロセスによるフォトニック結晶共振器と遜色ないことが示されている。以上の結果は、共通のフォトニック結晶基板上にSPLによりパターンを形成し任意の機能デバイスを提供する、光ユニバーサル基板コンセプトの実現可能性を示したものである。
[1] A. Yokoo, T. Tanabe, E. Kuramochi, and M. Notomi, Nano Lett. 11 (2011) 3634.
[2] M. Notomi and H. Taniyama, Optics Express 16 (2008) 18657.
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