岩本 敏/IWAMOTO Satoshi

岩本 敏 准教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
ナノオプトエレクトロニクス、トポロジカルフォトニクス
【研究室URL】
http://qdot.iis.u-tokyo.ac.jp/

研究内容

岩本研究室では荒川泰彦教授・荒川研究室との密接な連携のもと、フォトニック結晶やフォトニックナノ構造の基礎とその応用に関する研究を中心に進めています。フォトニックナノ構造の設計・作製技術、量子ドットなどとの融合による興味深い物理現象の探索とそのデバイス応用のほか、最近では特にトポロジカルフォトニクスとその関連分野、フォトニックナノ構造による光の角運動量制御に関する研究を推進しています。また、弾性波の制御とその光デバイスへの応用などにも取り組んでいます。

フォトニック結晶とは光の波長程度の屈折率周期構造をもつ人工光学材料であり、それを利用することで従来の材料では困難であった数々の光制御技術や特異な光学現象などの実現が可能となります。特に、周期構造に人工的に“欠陥“を導入することで形成される光ナノ共振器では、波長程度の領域に光が非常に強く閉じ込められるため、既存光デバイスの小型化だけでなく、光と物質の相互作用が増強されることを利用した新現象の発現と量子情報デバイスへの応用が期待できます。図1(a)はフォトニック結晶光ナノ共振器の電子線顕微鏡(SEM)写真です。中心部の1μm程度の領域に光を強く閉じ込めることができます。図1(b)は数値計算により求めた共振器モードの空間分布です。一波長程度の共振器部分に光が局在している様子が示されています。 また、近年トポロジーおよびトポロジカル絶縁体の概念をフォトニックに導入したトポロジカルフォトニクスが注目を集めています。我々は半導体フォトニック結晶技術を活かした半導体トポロジカルフォトニクスの開拓も目指しています。

量子ドットを含む高Q光ナノ共振器の作製・物性探索とその応用

2次元・3次元の高品質フォトニック結晶の作製技術開発を進め、量子ドットを発光体として含む良質なフォトニック結晶ナノ共振器を作製し、量子情報技術の基本素子の実現に向けて量子ドットと共振器中のフォトンとの相互作用の物理を探求しています。また、荒川教授と共同で、レーザと導波路が集積された3次元フォトニック結晶光回路を実現するなど次世代光デバイスへの展開を目指した研究も進めています。

フォトニックナノ構造を用いた発光制御

物質の光学応答は自身がおかれた輻射場環境に依存します。そのため、フォトニックナノ構造により人工的に輻射場を制御することで、物質の光学応答を制御することが可能になります。この効果を利用することで、光デバイスの高効率化や従来にない光学応答の実現とそれを利用した新規デバイス実現が期待できます。例えば、シリコンは間接遷移半導体のため、発光体には適さないと考えられてきましたが、フォトニック結晶構造を導入することにより光の取り出し効率の向上や発光ダイナミクスの制御などが可能となります。我々はナノ共振器を用いてシリコンの発光を大幅に増強することに成功(図2)するとともに、フォトニック結晶構造やナノ共振器構造を有するシリコンLEDを作製し、発光強度の増大を実証しています (図3)。

半導体トポロジカルフォトニクスの開拓

フォトニックナノ構造中の光のトポロジカルな性質を制御・利用しようとするトポロジカルフォトニクスの研究が注目を集めています。物理的面白さに加えて、作製時に不可避的に生じるゆらぎに強い光導波路などの様々な応用が期待されるなど、フォトニクスの新たな展開の一つです。我々は、半導体フォトニック結晶技術を駆使し、半導体トポロジカルフォトニクスの開拓を目指した研究を理論・実験の両面から推進しています。また、関連してフォトニック結晶などのフォトニックナノ構造を用いた光の角運動量制御に関する研究も進めています。

弾性波制御と光デバイスへの応用

フォトニック結晶と同様な考え方で、弾性率の周期構造(フォノニック結晶)を利用することにより弾性波の制御が可能になります。このような弾性波の制御を利用した高効率音響光学素子などの検討も行っています。これまでに、フォノニック結晶におけるスロー音波効果や共振器効果を利用することで、音響光学素子の低電力動作や小型化などが可能となることを示しています(図4)。現在は、その実験的研究を中心に推進しています。また、フォノニック結晶や人工構造における弾性波のトポロジカルな性質の探求とその利用に関する研究も進めています。

学生へのメッセージ

岩本研究室は、荒川研究室との共同運営のため多くの先輩や仲間たちと接しながら自分を磨くことが可能です(もちろん本人の意欲次第)。研究にはいろいろな苦労もありますが、自分の手で何かをはじめる楽しさも体験できると思います。議論を重ねながら新しい研究・分野を開拓しようという、野心と強い意欲に溢れた皆さんの参加を期待しています。

図1:(a)フォトニック結晶ナノ共振器と(b)共振器モードの電場強度分布
図2:フォトニック結晶ナノ共振器によるバルクシリコンの発光増強。鋭いピークはナノ共振器の共鳴モードに対応。未加工のバルクシリコンに比べて、強い発光が観測されている様子がわかる。
図3:フォトニック結晶シリコンLEDの(a)模式図と(b)発光部分のSEM写真
図4:擬似一次元フォノニック結晶共振器を用いた光弾性変調素子。概念図と実際の試料(左下)。右上の挿入図は数値計算で求めた共振器に閉じ込められる局在弾性波モードの分布。