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Study on quantum-dot single-photon sources hybrid integrated on optical circuits

勝見, 亮太 東京大学 DOI:10.15083/0002006645

2023.03.24

概要

論文審査の結果の要旨
氏名

勝見

亮太

本博士論文は集積量子フォトニクスについて研究したもので、9 章からなる。第 1 章
は、イントロダクションであり、研究背景、研究の目的、本論文のアウトラインについて
述べられている。単一光子源についての先行研究を中心に量子フォトニクスの研究背景
についてまとめられており、特に、本論文の対象である半導体量子ドットの研究について
記述されている。集積量子フォトニクスの実現に向けて、量子ドットの単一光子光源を光
集積回路上に組み込むことの重要性が述べられており、単一光子の導波路への結合効率、
単一光子源と光集積回路との互換性、量子ドットの本質的な不均一性の 3 つの課題があ
ることを指摘している。研究の目的として、転写プリント法を用いた新たな集積手法を探
求することで上記の課題を解決する旨が述べられている。
第 2 章は量子ドット及びフォトニック結晶に関する基礎的な知見について述べられて
いる。共振器による量子ドット発光効率の増大を生むパーセル効果について、また、光子
統計による光の量子性の評価法についてまとめられている。
第 3 章は量子ドット単一光子源の高効率な導波路結合に関する理論的研究について述
べられている。電磁波解析シミュレーションにより、量子ドットからの単一光子を 99%
以上の高率で導波路に結合することが可能な構造をデザインできることが示されている。
量子ドットと導波路の位置ずれに対するロバスト性についても議論されている。
第 4 章は転写プリント法によるハイブリッド集積について述べられている。転写プリ
ント法によりフォトニック結晶中の量子ドット光子源をピックアップして GaAs 光導波
路上に配置する実験を行い、70%以上の結合効率を実現している。また、2 つの単一光子
源を一つの光導波路上に集積させることにも成功している。本章では、本研究で用いるナ
ノファブリケーションの詳細についての詳細についてもまとめられている。
第 5 章は量子ドット単一光子源をシリコン CMOS 光集積回路上にハイブリッド集積す
る実験について述べられている。量子ドットの単一光子源をドライエッチされた CMOS
光集積回路のガラス表面上に転写プリントすることに成功し、ハイブリッド集積された
チップを冷却して単一光子発生していることを強度相関関数の計測(g(2)(0)=0.30)で確
認している。また、導波路への結合効率がおよそ 70%であることも実証している。
第 6 章はシリコン CMOS 光集積回路上の量子ドット単一光子源の発光波長を制御する
技術について述べられている。転写プリント法で光駆動の熱パッドを導入することで、量
子ドットの発光を熱的に制御し、0.9 nm の範囲で発光波長をシフトできることを実証し
ている。これにより、将来的にオンチップ 2 光子干渉の実現が可能となることを指摘し
ている。
第 7 章はフォトニック結晶ミラーを導入することで、結合された単一光子をシリコン
導波路から 1 方向に出力する技術について述べられている。サブ波長回折格子構造を導
波路に採用することで、99%以上の効率で 1 方向出力が可能であることをシミュレーシ

ョンで示している。実験による検証を行い、74%の出力効率を実現したと評価している。
第 8 章はファイバーピッグテール型の量子ドット単一光子源がハイブリッド集積され
たシリコン CMOS チップについて述べられている。通信波長帯の量子ドット単一光子源
をファイバーピッグテールシリコン CMOS チップに転写プリントしたデバイスを作製
し、パーセル効果による量子ドットの発光効率の増大を確認している。InP によるフォト
ニック結晶量子ドット光源の作製技術についても述べられている。
第 9 章は本論文の結論および展望について述べられている。
転写プリント法を用いて集積量子フォトニクスの複数の課題にアプローチした研究で
あり、博士論文として質、量ともに優れたものである。学問分野の背景と課題の整理が適
切になされており、また、シミュレーションおよび実験による課題へのアプローチと結果
の考察も十分に行われていると評価した。なお、本論文第 3 章は太田泰友、岩本敏、荒川
泰彦、第 4 章は太田泰友、角田雅弘、岩本敏、荒川泰彦、第 5 章、第 6 章は太田泰友、
長田有登、田尻武義、山口拓人、角田雅弘、岩本敏、秋山英文、荒川泰彦、第 7 章は太田
泰友、田尻武義、角田雅弘、岩本敏、秋山英文、荒川泰彦、第 8 章は太田泰友、田尻武義、
岩本敏、秋山英文、J. P. Reithmaier、M. Benyoucef、荒川泰彦との共同研究であるが、
論文提出者が主体となって研究を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断
する。
したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。

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[161] S. L. Mouradian, T. Schr¨oder, C. B. Poitras, L. Li, J. Goldstein, E. H. Chen,

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Research achievement

International Journal

[1] R. Katsumi, Y. Ota, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa, “Transferprinted single-photon sources coupled to wire waveguides”, Optica 5, 691-694

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*This article is selected as “Top-Cited Articles on Quantum Information from Optica”.

[2] R. Katsumi, Y. Ota, A. Osada, T. Yamaguchi, T. Tajiri, M. Kakuda, S.

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on a CMOS silicon photonic chip integrated using transfer printing”, APL

Photonics 4, 036105 (2019).

*This article is selected as “Featured Article”, and also highlighted

in Scilight.

[3] R. Katsumi, Y. Ota, A. Osada,

S. Iwamoto, H. Akiyama, and Y.

quantum-dot single-photon sources

waveguide”, Appl. Phys. Lett. 116,

T. Tajiri, T. Yamaguchi, M. Kakuda,

Arakawa, “In-situ wavelength tuning of

integrated on a CMOS-processed silicon

041103 (2020).

*This article is selected as “Editor’s Pick”.

International Conference and Workshop

[1] R. Katsumi, Y. Ota, K. Kuruma, A. Tamada, M. Kakuda, T. Miyazawa, K.

Takemoto, S. Iwamoto, and Y. Arakawa, “Quantum dot-nanocavity-waveguide

coupled systems fabricated by transfer printing”, International Conference on

180

Research achievement

Nano-photonics and Nano-optoelectronics (ICNN2017), ICNN1-2, Yokohama,

Japan, April (2017).

[2] R. Katsumi, Y. Ota, K. Kuruma, A. Tamada, M. Kakuda, T. Miyazawa,

K. Takemoto, S. Iwamoto, and Y. Arakawa, “Fabrication of quantum dotnanocavity-waveguide coupled systems via transfer printing method”, International Nano-Optoelectronics Workshop (iNOW2017), WeP8, Tianjin-Qian’anChengde, China, August (2017).

*This poster was selected as First Prize Best Poster Award.

[3] R. Katsumi, Y. Ota, M. Kakuda, T. Miyazawa, K. Takemoto, S. Iwamoto,

and Y. Arakawa, “Observation of optical coupling in a quantum dotnanocavity-waveguide coupled system fabricated by transfer printing”, International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC2017),

P-43, Komaba, Japan, December (2017).

[4] R. Katsumi, Y. Ota, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa, “Transferprinted Quantum-dot Single Photon Sources for Efficient Waveguide Coupling”, International Conference on Nano-photonics and Nano-optoelectronics

(ICNN2018), ICNN1-2, Yokohama, Japan, April (2018).

[5] R. Katsumi, Y. Ota, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa, “Quantum

dot single photon sources transfer-printed on wire waveguides”, Conference

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[6] R. Katsumi, Y. Ota, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa, “Integration

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Mo3-03, Toronto, Canada, June (2018).

[7] R. Katsumi, Y. Ota, A. Osada, T. Yamaguchi, T. Tajiri, M. Kakuda,

S. Iwamoto, and Y. Arakawa, “Quantum-dot single-photon source transfer-

Research achievement

181

printed on a CMOS-processed silicon waveguide”, Conference on Lasers and

Electro-Optics (CLEO 2019), FM1M.2, San Jose, USA, May (2019).

*The author was selected as the finalists of Maiman Student Paper

Competition.

[8] R. Katsumi, Y. Ota, M. Kakuda, S. Iwamoto, and Y. Arakawa, “Quantumdot-based single-photon source on a photonic waveguide integrated using transfer printing”, Frontiers in Quantum Materials and Devices workshops (FQMD

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*This presentation was selected as Poster Award.

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182

Research achievement

Domestic conference

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[2] 勝見亮太, 太田泰友, 角田雅弘, 宮澤俊之, 竹本一矢, 岩本敏, 荒川泰彦, “量子

ドット-ナノ共振器-細線導波路結合系における単一光子発生の観測”, 第 78 回応

用物理学会秋季学術講演会 (福岡国際会議場), 6p-A405-5, 2017 年 9 月

[3] 勝見亮太, 太田泰友, 角田雅弘, 岩本敏, 荒川泰彦, “転写プリント法による量子

ドット単一光子源の複数集積”, 第 65 回応用物理学会春季学術講演会 (早稲田大

学・西早稲田キャンパス), 18p-A402-4, 2018 年 3 月

[4] 勝見亮太, 太田泰友, 長田有登, 田尻武義, 車一宏, 山口拓人, 角田雅弘, 岩本敏,

秋山英文, 荒川泰彦, “転写プリント法によるシリコン導波路上への量子ドット

単一光子源の集積”, 第 79 回応用物理学会秋季学術講演会 (名古屋国際会議場),

21a-143-3, 2018 年 9 月

[5] 勝見亮太, 太田泰友, 長田有登, 田尻武義, 車一宏, 山口拓人, 角田雅弘, 岩本敏,

秋山英文, 荒川泰彦, “Si 光回路上に集積された複数量子ドット光源の局所発光

波長制御”, 第 66 回応用物理学会春季学術講演会 (東京工業大学), 12a-W631-6,

2019 年 3 月

[6] 勝見亮太, 太田泰友, 岩本敏, 秋山英文, 荒川泰彦, “一方向出射が可能な Si 光導

波路集積型量子ドット単一光子源の設計”, 第 80 回応用物理学会秋季学術講演

会 (北海道大学), 19a-E208-2, 2019 年 9 月

[7] 勝見亮太, 太田泰友, 田尻武義, 角田雅弘, 岩本敏, 秋山英文, 荒川泰彦, “一方向

出射が可能な Si 上集積量子ドット単一光子源の作製と評価”, 第 67 回応用物理

学会春季学術講演会 (上智大学), 14p-B415-10, 2020 年 3 月

Research achievement

183

[8] 勝見亮太, 太田泰友, 田尻武義, 岩本敏, 秋山英文, J. P. Reithmaier, M. Benyoucef, 荒川泰彦, “転写プリント法による通信波長帯量子ドット単一光子源の Si

導波路上集積”, 第 81 回応用物理学会秋季学術講演会 (同志社大学), 10a-Z18-1,

2020 年 9 月

Related of Publication

International Journal

[1] A. Osada, Y. Ota, R. Katsumi, K. Watanabe, S. Iwamoto, and Y. Arakawa

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184

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[2] A. Osada, Y. Ota, R. Katsumi, K. Watanabe, S. Iwamoto, and Y. Arakawa,

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Domestic conference

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術講演会 (福岡国際会議場) (2017).

[3] 不破麻里亜, 田尻武義, 勝見亮太, 石田丈, 玉田晃均, 渡邉克之, 太田泰友, 岩本

敏, 荒川泰彦, “転写プリント法を用いたフォトニックナノ構造の作製と評価”,

第 78 回応用物理学会秋季学術講演会 (福岡国際会議場) (2017).

[4] 岩本敏, 太田泰友, 勝見亮太, 荒川泰彦, “一次元ナノビームフォトニック結晶に

おけるトポロジカル局在状態”, 新学術領域「ハイブリッド量子科」第 6 回領域

会議 (NTT 物性科学基礎研究所) (2018).

[5] 太田泰友, 勝見亮太, 渡邉克之, 岩本敏, 荒川泰彦, “トポロジカル 1 次元フォト

ニック結晶ナノ共振器におけるレーザ発振”, 第 65 回応用物理学会春季学術講

演会 (早稲田大学・西早稲田キャンパス) (2018).

[6] 長田有登, 太田泰友, 勝見亮太, 角田雅弘, 岩本敏, 荒川泰彦, “転写プリント法

によるシリコン導波路結合型量子ドットナノレーザの実現”, 第 65 回応用物理

学会春季学術講演会 (早稲田大学・西早稲田キャンパス) (2018).

[7] 山口拓人, 勝見亮太, 長田有登, 太田泰友, 石田悟己, 岩本敏, 荒川泰彦, “三角形

状空気孔を有するバレーフォトニック結晶の作製と評価”, 第 65 回応用物理学

会春季学術講演会 (早稲田大学・西早稲田キャンパス) (2018).

188

Research achievement

[8] 長田有登, 太田泰友, 勝見亮太, 角田雅弘, 岩本敏, 荒川泰彦, “ シリコン光回路

上に集積された量子ドット−ナノ共振器強結合系の実現”, 第 79 回応用物理学

会秋季学術講演会 (名古屋国際会議場) (2018).

[9] 山口拓人, 勝見亮太, 長田有登, 太田泰友, 石田悟己, 荒川泰彦, 岩本敏, “急峻曲

げを有するスラブ型バレーフォトニック結晶導波路における光伝搬の観測”, 第

79 回応用物理学会秋季学術講演会 (名古屋国際会議場) (2018).

[10] 張奉鎔, 太田泰友, 勝見亮太, 權晋寛, 荒川泰彦, “転写プリント法により作製し

たシリコン基板上電流注入型量子ドットレーザ” , 第 79 回応用物理学会秋季学

術講演会 (名古屋国際会議場) (2018).

[11] 太田泰友, Feng Liu, 勝見亮太, 渡邉克之, 若林克法, 荒川泰彦, 岩本敏, “トポロ

ジカルコーナー状態によるフォトニック結晶ナノ共振器の実現”, 第 66 回応用

物理学会春季学術講演会 (東京工業大学) (2019).

[12] 吉見拓展, 山口拓人, 勝見亮太, 太田泰友, 荒川泰彦, 岩本敏, “ バレーフォトニッ

ク結晶 Bearded 界面によるスローライト導波路”, 新学術領域「ハイブリッド

量子科学」第9回領域会議 (北陸先端科学技術大学院大学) (2019).

[13] 太田泰友, 山口拓人, 吉見拓展, 勝見亮太, 渡邉克之, 荒川泰彦, 岩本 敏, “アク

ティブ材料を融合した集積トポロジカルフォトニクス”, 電子情報通信学会ソサ

イエティ大会 (大阪大学) (2019).

[14] 太田泰友, 勝見亮太, 長田有登, 玉田晃均, 角田雅弘, 岩本敏, 荒川 泰彦, “ハイ

ブリッド集積シリコン量子フォトニクスの可能性”, 第 80 回応用物理学会秋季

学術講演会 (北海道大学) (2019).

[15] 吉見拓展, 山口拓人, 勝見亮太, 太田泰友, 荒川泰彦, 岩本敏, “ バレーフォトニッ

ク結晶 Bearded 界面導波路における光伝搬の観測”, 第 80 回応用物理学会秋季

学術講演会 (北海道大学) (2019).

Research achievement

189

[16] 吉見拓展, 山口拓人, 勝見亮太, 太田泰友, 荒川泰彦, 岩本敏, “Si バレーフォト

ニック結晶 Bearded 界面導波路における光伝搬の観測”, 第 3 回電子材料若手交

流会研究 (つくばセミナーハウス) (2019).

[17] 吉見拓展, 山口拓人, 勝見亮太, 太田泰友, 荒川泰彦, 岩本敏, “ バレーフォトニッ

ク結晶におけるスローライトエッジ状態の光伝搬の観測”, 第 67 回応用物理学

会春季学術講演会 (上智大学) (2020).

[18] 吉見拓展, 山口拓人, 勝見亮太, 太田泰友, 荒川泰彦, 岩本敏, “Si スラブバレー

フォトニック結晶スローライトエッジ状態における群屈折率評価” KOSEN SC

第 2 回 VR 学術講演会 (オンライン)(2020).

[19] 吉見拓展, 山口拓人, 勝見亮太, 太田泰友, 荒川泰彦, 岩本敏, “バレーフォトニッ

ク結晶スローライトエッジ状態の観測”, 第 5 回フォトニクスワークショップ「光

の多様性を探求する」 (オンライン) (2020).

[20] 吉見拓展, 山口拓人, 勝見亮太, 太田泰友, 荒川泰彦, 岩本敏, “トポロジカルバ

レーフォトニック結晶スローライト導波路における群屈折率評価”, 第 3 回結晶

工学 × ISYSE 合同研究会「コロナ下・コロナ禍でも進める研究活動・就職活

動」(オンライン) (2020).

Patent

[1] 宮澤俊之, 太田泰友, 勝見亮太, 竹本一矢, 高津求, 荒川泰彦, 岩本敏, “光デバイ

ス及びその製造方法” 特開 2019-39984

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