半導体ヘテロ構造における励起子遷移を用いたオプトメカニクス

岡本創¹　渡邉敬之^1,2　太田竜一¹　小野満恒二³　後藤秀樹⁴　寒川哲臣⁴　山口浩司^1,2
¹量子電子物性研究部　²東北大学　³機能物質科学研究部　⁴量子光物性研究部　

　昨今、光キャビティと機械共振器の結合系を取り扱うオプトメカニクスが注目されている[1]。キャビティにより生み出される放射圧や熱応力を用いて、振動の増幅や熱ゆらぎの低減（振動モード冷却）など、機械共振器の制御が可能となることが報告されている。しかしながら、従来手法は高品質キャビティの作製や光機械結合の調整など、取り扱いの上で高度な技術を要するのが難点である。また、細線化ファイバによるアクセスが必要なため、とりわけ共振器アレイなど集積メカニカル素子への適用には不向きとされる。これに対して、我々は半導体ヘテロ構造における励起子遷移を用いた、フリーアクセス可能な機械共振器の振動制御手法を提案、実証した[2]。化合物半導体中で光励起された電子と正孔により生み出される圧電応力を用いることにより、キャビティ不要で簡便なオプトメカニクスを可能とした。
　本研究ではAlGaAsとGaAsの2層構造からなる片持ち梁を用いた［図1(a)］。この梁では光励起により生じる電子－正孔対が内部電場により分離し［図1(b)］、長手方向に沿って圧電応力（圧縮）が生み出される。この応力はGaAs層に生じるため、梁が下向きにたわむ効果を与える［図1(a)］。この効果は光吸収量に依存し、変形ポテンシャルを介して歪みにも影響を受ける。よって、歪みによる吸収変化が顕著となる励起子吸収近傍では梁の変位に依存した圧電応力が得られる。これが光照射に対して遅延して作用するため、梁の振動に対して自己帰還が働く。帰還の符号と利得は吸収スペクトルの勾配に依存するため［図1(c)］、励起子吸収からの僅かな離調により、振動増幅とモード冷却の双方が達成される［図1(d)、(e)］。