Details of a Researcher - Ota, Yasutomo

Research Projects of Competitive Funds, etc. - Ota, Yasutomo

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2022.06

2024.03

MEXT,JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research, Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory), Principal investigator

本研究では、誘電率εがゼロ近傍に制御可能なEpsilon Near Zero材料を舞台に、磁気光学効果そのもの非線形応答の探求を行う。さらに、この新しい非線形磁気光学効果についてトポロジカルフォトニクスへの応用を検討し、新奇磁気光学デバイス創出に挑戦する。本研究は、ともすればマイナーと見られていた非線形磁気光学効果を、デバイス技術へも応用可能なメジャーな効果へと変革し、非線形磁気光学の分野に新しい方向性をもたらすものである。
本研究は、イプシロンニアゼロ（ENZ）特性を示す酸化インジウムスズ（ITO）を舞台に、磁気光学（MO）効果の非線形光学応答の観測とその応用を検討するものである。初年度は、ガラス基板上への高品質ITOの成膜を試みるとともに、作製したITO薄膜に対する光学評価を行った。また、MO-ENZ材料を取り込んだ光学素子の設計にも取り組んだ。ITOの成膜では、スパッタターゲットの工夫やスパッタ条件の精密制御を通じて高品質化を図った。作製した薄膜はエリプソメーター等で評価し、その誘電率などを解析した。まず、ITO中の酸素濃度を変化させることでENZ波長の制御を試みた。結果、目標とする近赤外領域においてENZ特性を示すITO薄膜の形成に成功した。特に、高温での成膜条件を見出すことで、先行研究と比べてENZ波長における光学損失が小さなITO膜を形成することが可能となった。次に、同薄膜に対するMO分光を進めた。可視から近赤外域において、透過反射分光を行いガラス基板の影響を差し引くことでITO薄膜のMO応答を調べた。結果、近赤外域においてFaraday回転およびKerr回転ピークをENZ波長近傍で観測することに成功した。酸素濃度を変化させた試料においては、MO応答のピーク波長がシフトを示し、ENZ効果によって増強されていることが確認された。光学デバイスの設計では、ENZ材料をクラッドとしたフォトニック結晶構造の解析に取り組んだ。有限要素法をベースとしてヘルムホルツ方程式を解析しバンド構造などの基礎的な光学応答を調べた。
実験に用いる高品質ENZ-ITO薄膜の成膜に成功し、光学設計も順調に進んでいる一方で、超短パルスレーザーが故障し非線形分光の実験を中断せざるを得なかった。これらの状況を鑑みて、概ね順調に進展していると判断した。
今後は製膜したENZ-ITO薄膜に対する解析を進めその一層の高品質化に取り組むとともに、故障した超短パルスレーザーの修理ができしだい非線形分光実験に取り組みたいと考えている。並行して光学設計を進め、新奇MO素子に関する検討を行う。

Nonlinear topological nanophotonics based on semiconductor photonic crystals

2022.04

2026.03

Japan Society for the Promotion of Science, Grants-in-Aid for Scientific Research, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), No Setting

トポロジカルナノフォトニクスを線形光学の枠を超えて非線形光学領域へと展開する。具体的には、半導体バレーフォトニック結晶で実現されるトポロジカルスローライト導波路の低分散化を図り高効率な四光波混合を誘起することにより、構造揺らぎなどがあっても高い効率を示すパラメトリック増幅や高い量子相関を示す量子もつれ光子対生成の実現を目指す。さらに、バレーフォトニック結晶を積層することで発現する新たな光局在状態とそれを用いた高調波発生を実現する。これらの研究をとおして、新奇オンチップ非線形光学デバイスの可能性を探求し、“非線形トポロジカルナノフォトニクス”という新分野の開拓に挑む。

半導体光ツイストロニクスの開拓

2022.04

2025.03

日本学術振興会, Grants-in-Aid for Scientific Research, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), No Setting

半導体薄膜に周期的に空孔を設けた２次元フォトニック結晶を回転させつつ積層することで、光ツイストロニクスを開拓する。これにより、新しい光閉じ込め機構および光系特有のツイスト物理を探求する。一般に困難とされる積層ナノ光構造の作製には申請者が開発を続ける転写プリント法を用い、高品質な半導体ツイスト積層フォトニック結晶を実現する。同構造の工学的有用性にも着目し、ハイブリッド集積ツイスト微小共振器レーザーへの応用を検討する。本研究を通じ、半導体光ツイストロニクスと呼ぶべき新分野を開拓する。

磁気光学結晶-on-insulator基板の実現とナノフォトニクスへの応用

2019.04

2022.03

MEXT,JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research, 太田泰友, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Principal investigator

In this project, we realized magneto-optical (MO) crystal on insulator (MOOI) substrates by bonding monocrystalline MO-material wafers to glass and then grinding, polishing and etching them. We also worked on the development of nanopatterning techniques for the MO material (here we used yttrium iron garnets) by plasma dry etching based on different etching gases. In addition, we investigated magneto nanophotonic structures based on the MOOI substrate, such as MO metasurfaces, photonic crystals, and hybrid structures with Si nanostructures, and found a design for ultrathin MO Faraday rotators.

Investigation of single photon quantum optical circuits implemented on semiconductor chips

2016.04

2020.03

The University of Tokyo, Grants-in-Aid for Scientific Research, Ota Yasutomo, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), No Setting

We investigated integration technologies of quantum-dot single photon sources on semiconductor-based photonic integrated circuits, and performed quantum optical experiments on the photonic chips. We studied transfer printing for performing the photonic integration and succeeded in integrating nanocavity-based single photon sources on photonic waveguides with positioning accuracy better than ±50nm. We clarified that such photonic structures can achieve coupling efficiencies exceeding 99% based on electromagnetic simulations. Experimentally, we fabricated various integrated devices using semiconductor nanofabrication processes together with transfer printing, and demonstrated single photon generation on chip, integration of multiple sources on a single chip and in-situ independent wavelength tuning of the integrated single photon sources.

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

2015

2020

日本学術振興会, Grants-in-Aid for Scientific Research, ARAKAWA Yasuhiko, IWAMOTO Satoshi, SHIMIZU Akira, OTA Yasutomo, KOSHINO Kazuki, KAMIDE Kenji, Grant-in-Aid for Specially Promoted Research, No Setting

継続して高品質な量子ドット―ナノ共振器結合系の形成技術の追求を続け、多様な観点から発展を図ることで、多くの実験成果を得た。また、量子ドット―共振器結合系に対して、トポロジー・超対称性・スキルミオンなどの概念を取り込み、その創発的な量子電気力学現象や光機能について理論的な知見を深め、量子ドット光源への応用を進めた。以下に、推進する3つの研究領域における成果をまとめる。
1. 量子ドット・ナノ共振器形成基盤技術開発 :
ナノ共振器の高Q値化メカニズムを光物性の観点から検討した。表面欠陥や自由キャリアによる光吸収の影響を明らかにし、これまでに構築した表面改質ポストプロセスの有用性を明らかにした。また、昨年度から検討を開始した新型高Q値ナノ共振器を用いて量子ドットとの強結合状態を実現した。さらには、光導波路に同時集積した二つの量子ドット―ナノ共振器において、双方の量子ドット発光波長をチューニングし一致させることに成功した。一方、メタモルフィッ構造や3重層構造を活用した通信波長帯高品質InAs/GaAs量子ドットの結晶成長に成功した。また、分子線エピタキシー時における電子線回折像による結晶成長モニタリングに対して、畳み込みニューラルネットワークを用いることでその機械化を図った。また、トポロジカルな概念を用いた低群速度光導波路の設計を見出し、その基礎特性を主に数値計算を用いて明らかにした。
2. 固体量子電気力学探究 :
共振器から偏光状態や角運動量状態を制御して光を回折する手法を見出した。それによりスピン・軌道角運動量状態の制御された光重ね合わせ状態により実現される光スキルミオン状態が遠方界で実現できることを数値計算により示した。さらには、その応用として高次フルポアンカレ状態を生成できることも見出した。また、量子ドット系における一般化猫状態を用いた磁気検出技術について、理論検討を進めた。一方、高次トポロジカルコーナー状態を活用した光ナノ共振器の設計を行い、量子ドットとの結合を実験的に観測することに成功した。さらには、トポロジカルエッジ状態による光導波路と量子ドットとの光結合を観測した。これらの研究成果とその応用研究に関して国際共著の解説論文にまとめ、国際論文誌において発表した。
3. 極限量子ドット光源開発 :
量子ドット―共振器多重結合系をトポロジーの観点から適切に配置することで、単一モード動作レーザに応用できることを見出した。数値計算を進め、実現に必要な素子パラメータを明らかにした。また、同多重結合系を2次元に配置した場合には、超対称性に基づいたアレイ配置により、2次元単一モード動作するレーザへ応用が可能であることを明らかにした。また、反射鏡を埋め込んだ導波路とナノ共振器の相互作用を検討し、光出射効率を高めた導波路型単一光子源の実現に成功した。一方、適切な光学構造と組みわせることで高効率な窒化物単一光子源の実現にも成功した。

Quantum light sources based on spontaneous two photon emission from quantum dot-nanocavity coupled ysystems

2012.04

2015.03

The University of Tokyo, Grants-in-Aid for Scientific Research, OTA Yasutomo, Grant-in-Aid for Young Scientists (B), No Setting

Quantum dot photonic crystal nanocavity coupled systems have been studied in terms of the two photon interaction. The concept of self-frequency conversion, in which both lasing oscillation and nonlinear optical frequency conversion occur using a single laser crystal, has been applied to nanocavities, leading to the demonstration of self-frequency conversion nanolasers. Combining with a broad quantum dot gain, micro integration of the self-frequency conversion lasers enables the realization of a visible nanolaser array, covering an almost entire visible range. In addition, the efficiency of the frequency conversion has been studied in terms of the statistics of the intracavity photons. Furthermore, a method to extract the direct free space spontaneous emission from strongly coupled quantum dot nanocavity systems has been developed. These results will provide significant insights for the development of quantum optical light sources based on the intra-cavity two photon physics.

量子ドットとフォトニック結晶を用いた量子光回路に関する研究

2010

2011

日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 特別研究員奨励費, No Setting

集積性は、量子コンピュータなどに代表される大規模な量子回路を構築する際に必須と考えられる要素である。自己形成量子ドットを基盤とした系は、半導体加工技術を駆使することで高い集積性を実現可能であり、非常に有望である。しかし、量子ドットは空間的、周波数的ばらつきを有し、設計通りの光回路系を構築することが難しい。そこで本研究では、空間位置・共振周波数を調整可能な高Q値フォトニック結晶ナノ共振器を、オンデマンドで且つ、In-situで作製可能な手法提案している。そのような共振器が実現出来れば、必要な量子ドットに対して位置・周波数を調整した共振器を結合させ、共振器-量子ドット-光導波路系からなる所望の量子光回路を構築することができると期待される。
今年度は、上述の課題において最も重要な、オンデマンド高Q値フォトニック結晶ナノ共振器の設計、作製、そして量子ドットとの結合状態の観測を試みた。そして低温化において共振器の形成を確認し、その振る舞いについて分析を行った。
まず、GaAsフォトニック結晶導波路上に光誘起屈折率変化が可能なカルコゲナイドガラスを装荷した場合を想定し、微小な屈折率変化によりどのような共振器が形成されるか調べた。時間領域有限差分法を用いた計算により、屈折率0.03の変化を与えた場合、Q値約700万、モード体積0.05μm3の共振器が形成可能なことを明らかにした。次に、電子線描画リソグラフィー等によって前述の構造を実際に作製し、低温顕微分光実験を行った。レーザー(633nm,直径2um)照射による屈折率変化を与え、そのフォトルミネッセンススペクトラムを観測した。レーザー照射後には狙い通り、共振器由来の2つのピークが観測されていることが分かった。これは量子ドットからの発光が共振器と結合してから外部に放出された結果と考えられる。共振器のQ値は共に8000程度であった。

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