2021/02/01

～従来より小型・高効率な光増幅素子の創出に向けて前進～

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背景と成果の概要

半導体チップ上に作られる微小な機械振動子は、振動子固有の周波数で共鳴する機械共振特性を利用した高感度センサや高周波フィルタなど様々な素子応用に用いられています。このうち、機械振動子を電気的に検出・制御できる素子はMEMS（Micro-Electro-Mechanical-Systems）として広く知られていますが、近年では、光を用いて機械振動子を検出・制御することが可能なオプトメカニカル素子にも注目が集まっています。オプトメカニカル素子の多くは、光を鏡や空孔などで空間的に閉じ込める光共振器構造や、光が選択的に吸収される光共鳴構造を機械振動子へ組み込んだ構成をとっており、機械振動と相互作用する光共鳴を用いて高感度な振動検出や高精度な振動制御を可能とすることを特徴としています。
このようなオプトメカニカル素子では、光と機械振動の間のエネルギー損失時間の関係によって素子の振る舞いが決まります。具体的には、エネルギー損失時間の短い物理系によって損失時間の長い物理系を制御することが可能となります。従来のオプトメカニカル素子では、光の損失時間が機械振動の損失時間よりも圧倒的に短いため、光を用いた機械振動の制御は可能でしたが、その逆の機械振動を用いた光の制御は困難でした。今回、光のエネルギー損失時間が極めて長い希土類元素の発光中心を機械振動子へ埋め込むことにより、機械振動と光の間のエネルギー損失時間の関係性が逆転した新しいオプトメカニカル素子を世界で初めて実現しました。これにより、従来困難であった機械振動を用いた光の増幅や発振が可能となります。

実験の概要

実験に用いた機械振動子（図1）は希土類元素エルビウムを含むYSO結晶^※5を斜めからイオンビームで削る微細加工により作製しました。これを圧電アクチュエータの上に設置することにより、電気的に上下振動を誘起し、機械振動子を固有周波数で共振させることが可能となります。この共振により、機械振動子内部に局所的な歪を導入することができます。今回、この歪に依存した光吸収・発光の様子を測定できる実験系を構築することにより、希土類元素の発光中心と機械振動とが相互作用した状態を観測することに成功しました（図２）。また、エネルギー損失時間の測定により、光の損失時間が機械振動の損失時間を上回った状態が実現していることを確認しました（図３）。

技術のポイント

1. 光と機械振動を効率的に結びつけるには、光と機械振動が同じ空間に長い時間留まる必要があります。従来のオプトメカニカル素子では、光を空間的に閉じ込める機構として光共振器^※6や半導体中の量子ドット^※7などが用いられていましたが、そのエネルギー損失時間は数ナノ秒程度であり、機械振動と比べて圧倒的に早く光が消えていました。今回、エネルギー損失時間が数ミリ秒となる希土類元素の発光中心を機械振動子に組み込むことにより、機械振動のエネルギー損失時間よりも長く光が留まる新しいオプトメカニカル素子を実現することに成功しました。これにより、光と機械振動の結合が効率化されるのみならず、従来素子では困難であった機械振動を用いた光の増幅や発振が可能となることが理論的に示されました。
2. 固体中に埋め込まれた希土類元素は、エネルギー損失が極めて少ないことが特徴ですが、これを含むYSOなどの結晶は硬い材料であるため、これを用いて機械振動子構造を作製することはこれまで困難でした。今回、イオンビームを用いた斜めミリング手法^※8を可能としたことにより、希土類元素を埋め込んだ機械振動子を作製することに世界で初めて成功しました。これを液体ヘリウム温度（４K）にまで冷却することにより、長寿命な希土類元素の発光中心と機械振動子との相互作用を観測し、その大きさを定量的に評価することに成功しました。

今後の展開

今回実現したオプトメカニカル素子を用いて、光の増幅と発振現象の実証に取り組みます。増幅された光を効率よく取り出せるよう素子構造の最適化にも取り組みます。現状では液体ヘリウム温度での動作しか確認されておりませんが、今後は液体窒素温度（77K）や室温環境での動作に向けて研究を進め、IOWNへの応用をめざします。また、光と機械振動の相互作用の高効率化を進め、弾性波や音波を組み合わせた省エネ光デバイスの創出をめざします。

論文情報

“Rare-earth-mediated opto-mechanical system in the reversed dissipation regime”,
Ryuichi Ohta, Loïc Herpin, Victor M. Bastidas, Takehiko Tawara, Hiroshi Yamaguchi, and Hajime Okamoto,
Physical Review Letters, 126, 047404 (2021)

用語解説

※1 ... 機械振動子

弾性変形を周期的に繰り返すことにより機械的な振動が継続する人工構造体。鐘や鉄琴など楽器の振動板も機械振動子の一種です。最近では微細加工技術の発展にともない、髪の毛よりも細く小さな機械振動子を半導体チップに集積することも可能になっており、MEMS振動子として実用化が進められています。機械振動子の最も代表的な形状のひとつは本研究でも用いられている片持ち梁と呼ばれるもので、プールの飛び込み板に類似した形状をしています。

※2 ... 発光中心

固体材料の中には、周期的に配列された電子と周りから孤立した電子が存在します。この孤立した電子は光を吸収したり放射したりする特性があることから発光中心と呼ばれます。発光中心は、レーザなどの光源や光検出器に用いられておりますが、エネルギー損失の少ない発光中心は光を閉じ込める性質が顕著に現れるため、光メモリなどにも応用されています。発光中心を含む固体材料には半導体、ダイヤモンド、希土類元素など様々な物質があります。

※3 ... オプトメカニカル素子

光により機械振動が影響を受ける、あるいはその逆で機械振動により光が影響を受けるような構造からなる素子。光と機械振動との相互作用を強めるため、光共振器構造を用いる場合があります。光共振器の利用により、光が空間的に閉じこめられ、光と機械振動とが同じ空間を共有することができます。これにより、互いの相互作用が強まります。光共振器の代わりに、光が選択的に吸収される電子準位などの光共鳴構造を機械振動子へ組み込む場合もあります。

※4 ... エネルギー損失時間

機械振動子や発光中心などに閉じ込められたエネルギーは、時間の経過にともない徐々に失われていきます。このエネルギーが失われるのにかかる時間をエネルギー損失時間と呼び、光と機械振動の損失時間の大小関係によってオプトメカニカル素子の特性が決まります。エネルギー損失時間を決める要因は様々ですが、機械振動子は構造によって、発光中心は材料の性質によって決まる場合が多いです。

※5 ... YSO結晶

希土類酸化物からなる固体結晶。結晶内部に希土類元素の発光中心を含むことができます。YSO結晶は化学的に安定なため、発光中心のエネルギー損失が極めて少ないことが特徴です。一方でYSO結晶は硬いため微細加工が難しく、その応用は加工を必要としない一部の光素子に制限されていました。

※6 ... 光共振器

反射や屈折などを利用して光を空間的に閉じ込める構造。合わせ鏡のように光の多重反射を利用する構造や、陸上競技場のトラックのように円周上を周回させる構造があります。レーザや光フィルタに応用されています。

※7 ... 量子ドット

半導体中に作製された微細構造で発光中心として広く用いられています。半導体材料の組み合わせや微細構造の大きさなどで発光波長や発光効率を制御できることが特徴で、LEDやレーザなどに応用されています。

※8 ... イオンビームを用いたミリング手法

真空中で飛ばしたイオンをぶつけることで、物理的に材料を削り取る加工方法。材料の組成などによらず、様々な材料を加工できることが特徴です。またイオンを斜めからぶつけることで機械振動子のような立体構造を作製することもできます。