3.　新技術

3.1　概要

本研究で取り組んでいる技術は，冷却原子を用いることなく，SWCNTのCDを活用した，室温動作かつ小型の光アイソレーターである。SWCNTのCD特性と，ONF表面に発生する円偏光という2つの物性を組み合わせることで，一方向にのみ光を透過させる機能を実現している。本デバイスは，ONFにSWCNTを付着させたシンプルな構造を持つ。光の進行方向により，ONF表面に現れる円偏光の回転方向が反転するため，これとSWCNTのCDとの選択的な相互作用により，一方向性の光伝播が可能となる。さらに，SWCNTのカイラリティによって吸収波長が異なるため，適切なカイラリティを選択することで，さまざまな波長帯に対応したデバイス設計が可能である。本技術は，小型光デバイスの構成要素として有望である。

3.2　SWCNT光アイソレーター

図3にSWCNT光アイソレーターの原理を示す。本デバイスは「透過軸が一致する2つの偏光子」と，その間に配置された「CDをもつSWCNTが付着したONF」から構成される。ONFを伝搬する光は，順方向では反時計回り円偏光σ+，逆方向では時計回り円偏光σ–が表面に漏れ出す。順方向では，入力光は偏光子Aにより直線偏光となり，ONF表面にσ+が漏れ出すが，時計回りのSWCNTとほとんど相互作用しないため光は透過する。一方，逆方向では，入力光は偏光子Bにより直線偏光となり，ONF表面にσ–が漏れ出すと，時計回りのSWCNTと強く相互作用し，光吸収・散乱が発生して透過光が大幅に減衰する。このように，ONFにSWCNTを付着するだけで光アイソレーターとして機能するシンプルな構造であり，小型化に優れる。さらに，CDを有する他の材料を使用すれば，同様の機能を実現可能である^5）。

3.3　実証実験1：1本のSWCNT

本技術の有効性を検証するため，SWCNTを1本のみ付着させたONFを用いた実験を行った。図4に示すように，ファイバーベンチ上に構築された光学系において，Polarizing Beam Splitterで直線偏光を生成し，中央のSWCNTが付着したONFを通過させ，パワーメーターで透過光の強度を計測した。使用したSWCNTは，カイラリティおよび巻き方が既知の試料を産総研の田中先生・片浦先生より提供いただき使用した。初期の実験では，マイクロピペットでONFにSWCNTをランダムに付着させたが，位置や密度の制御が困難であった。低濃度溶液を用いることで，SWCNTが1本だけ付着した条件を実現し，順方向と逆方向での透過率を比較したが，大きな差は確認されなかった。この結果は，1本のSWCNTでは吸収可能な光量に限界があることを示している。したがって，機能発現のためにはSWCNTの密度を高める必要がある。

3.4　円偏光の制御

ONF表面に発生する円偏光には強度分布が存在し，その強さはONF半径aの位置で最大となる^1）。また，ONF表面上では方位角φに応じた強度分布を示す。図5に示すように，入力直線偏光の方向に応じて，ONFの上下に異なる方向の円偏光が生成される。さらに，図4に示したλ/2波長板を回転させることで，直線偏光の方向を調整でき，それに伴い円偏光の位置もONF表面を回転する。したがって，SWCNTの付着位置を適切に制御することが重要となる。

3.5　実証実験2：多数のSWCNT

同一カイラリティのSWCNTをONF上に密度・位置制御して配置する技術を開発し，その有効性を検証した^5）。図6に示すように，多数のSWCNTが付着したONFを用いた実験を実施した。走査電子顕微鏡（SEM）像の観察により，ONFの直径が625 nmであり，SWCNTが広範囲に付着していることを確認した。同様に作製した試料を用い，図6の下部に示した透過率を計測した。ONFの右側から光を導入した場合，時計回り円偏光σ–が表面に漏れ出し，透過率は約100％であった。一方，ONFの左側から導入した場合，反時計回り円偏光σ+が表面に漏れ出し，透過率がノコギリ波形を示し，入力偏光角度に依存して最大で約80％まで低下した。このことから，SWCNTはONFの片側面にのみ付着できていることが示唆された。

4.　まとめ

本研究により，SWCNTの円偏光二色性と光ナノファイバー表面に発生する円偏光の性質を活用した，室温・小型光アイソレーターの原理実証が行われた。SWCNTを1本付着させた場合には透過率に大きな差が見られなかったが，多数のSWCNTを密度制御して配置することで，一方向の光透過が選択的に実現されることを確認した。現時点では，最大でも約80％の透過率低下にとどまっており，On/Off比をさらに高めるためには，SWCNTの付着密度や位置の最適化が今後の課題である。将来的には，本技術を応用することで，電子回路のような小型かつ高速な光論理回路の構築が可能となり，情報通信技術の飛躍的な発展に寄与すると期待される。

参考文献
1）F. Le Kien et al., Opt. Commun. 242, 445 (2004).
2）C. Sayrin et al., Phys. Rev. X 5, 041036 (2015).
3）X. Wei et al., Nat. Commun. 7, 12899 (2016).
4）H. Liu et al., Nat. Commun. 2, 1 (2011).
5）入田賢 et al., 特願2023-112654 (2023. 7. 7).

■Research and Development of Single-Walled Carbon Nanotube Optical Isolators
■Masaru Irita
■Research Institute for Science and Technology, Tokyo University of Science