Solid state Quantum Electrodynamics in Quantum Dot Nanocavity Multiply Coupled Quantum Systems and Its Application to Novel Light Sources

量子点纳米腔多耦合量子系统中的固态量子电动力学及其在新型光源中的应用

基本信息

批准号：
15H05700
负责人：
ARAKAWA Yasuhiko
金额：
$ 332.38万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015 至 2021
项目状态：
已结题

项目摘要

研究プロジェクトの最終年度として、研究成果を論文等を通じて積極的に発信するとともに、その内容をレビュー論文にまとめた。一方で、トポロジカルナノフォトニクス構造などに関する研究を進めいくつかの成果が得られた。これらは本研究の今後のさらなる飛躍の土台になることが期待される。その他本年度に得られた成果については、以下に示す3つの研究領域に分けて概要を報告する。1. 量子ドット・ナノ共振器形成基盤技術開発 :自己形成量子ドットの分子線エピタキシーによる結晶成長技術について検討を深めた。近接三重層量子ドットやメタモルフィック構造を用いた長波発光量子ドットの高品質化に取り組むとともに、これらの結晶成長技術を基礎とした量子ドットレーザー素子の作製も進め、レーザー発振を観測するまでに至った。また、光学顕微鏡下による低ダメージ積層法により三次元フォトニック結晶構造を構築し、量子ドットと結合した共振器発光ピークを観測した。2. 固体量子電気力学探究 :結合共振器系で発現するトポロジカル境界状態を活用した高出力レーザーについて理論的な検討を深めた。利得・損失の空間配置を最適化した構造において、共振器周波数や結合レートにバラツキがある場合においても、ロバストな単一モード発振が可能であることを明らかにした。さらには、現実的な共振器損失や利得を想定した検討も進め、実験的に実現可能な素子設計を行った。また、トポロジカルスローライト導波路を用いたリング共振器構造について、その共振器モード特性を数値的に解析するとともに、InP系材料を用いて構造を試作し、レーザ発振を実現することにも成功した。3. 極限量子ドット光源開発 :トポロジカルな光導波路を用いた量子ドット単一光子源の詳細な評価を行った。大きなパーセル効果を発現可能であることを確認するとともに、発生単一光子の低損失な光伝搬を観測した。また、多数の異なる量子ドットを測定することで、バンド分散とパーセル効果の関係を実験的に明らかにし、高効率かつロバストな単一光子源を実現する素子構造について検討を深めた。加えて、界面ゆらぎInGaN量子ドットからの高純度単一光子発生についても検討を深め、その純度の励起強度依存性やスペクトル拡散時間の測定を行いさらなる高性能化の指針を得た。

在研究项目的最后一年，我们通过论文和其他材料积极传播我们的研究成果，并在综述论文中总结了结果。另一方面，我们在拓扑纳米光子结构方面的研究取得了进展，并取得了一些成果。预计这些发现将成为本研究进一步进展的基础。今年获得的其他成果的总结将在以下三个研究领域进行报告。 1. 量子点和纳米腔形成基础技术的发展：我们深入研究了利用分子束外延自形成量子点的晶体生长技术。除了致力于利用紧密排列的三层量子点和变质结构来提高长波长发光量子点的质量外，我们还在基于这些晶体生长技术的量子点激光器件的制造方面取得进展，并已取得进展。达到了我们观察到激光振荡的程度。此外，在光学显微镜下采用低损伤堆叠方法构建了三维光子晶体结构，并观察到了与量子点耦合的腔发射峰。 2. 探索固态量子电动力学：我们深化了利用耦合腔系统中拓扑边界态的高功率激光器的理论研究。我们已经证明，即使谐振器频率和耦合率存在变化，在具有优化的增益和损耗空间布置的结构中也可以实现鲁棒的单模振荡。此外，我们继续假设现实的谐振器损耗和增益进行研究，并设计了一个可以通过实验实现的元件。此外，我们还对使用拓扑慢光波导的环形谐振器结构的谐振器模式特性进行了数值分析，并成功地创建了使用InP基材料的原型结构并实现了激光振荡。 3. 极端量子点光源的开发：我们使用拓扑光波导对量子点单光子源进行了详细评估。我们确认可以表达大的珀塞尔效应，并观察到生成的单光子的低损耗光学传播。此外，通过测量大量不同的量子点，我们通过实验阐明了能带色散与珀塞尔效应之间的关系，并加深了对实现高效且鲁棒的单光子源的器件结构的研究。此外，我们进一步研究了界面涨落InGaN量子点产生高纯度单光子的过程，测量了纯度对激发强度和光谱扩散时间的依赖性，为进一步提高性能提供了指导。