東北大、MEMSでダイヤモンド光デバイスの共鳴波長制御に成功

東北大学は、超ナノ微結晶ダイヤモンド（UNCD）製フォトニック結晶とMEMSアクチュエータを集積した新しいダイヤモンド光デバイスを開発し、MEMSによる機械的変形を用いて共鳴波長を制御することに成功した（ニュースリリース）。

ダイヤモンドは、広いバンドギャップ、高い熱伝導率、高耐圧特性などを持つことから、次世代パワー半導体材料として期待されている。また、結晶中の欠陥に由来するカラーセンターを有し、量子情報処理に利用できることから、量子コンピューティングや量子通信を実現する量子フォトニクス材料としても注目されている。

一方、フォトニック結晶は、光の波長程度の周期構造を利用して光を閉じ込めたり制御したりする人工光学構造。ダイヤモンドフォトニック結晶は、カラーセンターからの発光を強めたり、光と量子状態の相互作用を高めたりするための重要なデバイスとして研究されている。

量子フォトニクス応用では、カラーセンターの発光波長とフォトニック結晶の共鳴波長を高精度に一致させることが重要となる。しかし、フォトニック結晶の光学共鳴は構造寸法に極めて敏感で、数十nm程度の加工誤差によって設計した共鳴波長から大きくずれることがある。このため、製造後に光学特性を調整できるチューニング技術が求められていた。

従来は、酸化処理や温度変化、希ガス凝縮などの手法が検討されてきたが、操作が煩雑であったり、極低温環境が必要であったりするなどの課題があった。

今回、東北大学大学院工学研究科ロボティクス専攻の金森義明教授、池田太郎大学院生らの研究グループは、UNCDを用いた一次元フォトニック結晶とMEMSアクチュエータを一体化。MEMSアクチュエータによってフォトニック結晶の周期構造を伸縮させることで、内部を伝搬する光の共鳴状態を制御する手法を提案した。

開発したデバイスでは、フォトニック結晶の両側に静電駆動型MEMSアクチュエータを配置し、周期構造を機械的に変化させる。電子顕微鏡観察では、UNCDからなるフォトニック結晶、ばね構造、櫛歯型アクチュエータが一体形成されていることを確認した。

実験では、印加電圧75Vにおいてフォトニック結晶の周期が1004nmから1076nmまで変化し、印加電圧の増加に伴って周期が増加することを確認した。また、周期変化に伴って共鳴波長が最大23nmシフトし、提案手法による波長制御の有効性を実証した。

研究グループは、この技術により、製造後でも最適な波長調整が可能になるとしている。また、今回提案したチューニング原理はUNCDに限定されるものではなく、将来的に単結晶ダイヤモンド薄膜技術が発展した場合にも適用可能だという。

今後は、量子光源、量子通信デバイス、量子コンピューティング用光回路への展開に加え、高感度センサや波長可変光フィルタなどへの応用も期待されている。