JP7327657B2

JP7327657B2 - フォトニック結晶デバイスおよび原子捕捉装置

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Publication number: JP7327657B2
Application number: JP2022516510A
Authority: JP
Inventors: 雅人滝口; 哲哉向井; 雅也納富; 尚友武村; 昭彦新家
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Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
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Description

本発明は、小型かつ低消費電力の原子捕捉装置に関する。

近年、量子コンピュータ、単一光子源、量子シミュレータなど、量子情報デバイスやそのプラットフォームの開発は、超電導量子ビット、ダイヤモンド中の欠陥（NVセンタ）、イオントラップ、冷却原子、半導体量子ドットなど様々な材料が候補として挙げられ、研究が進められている。この一つの候補になっている冷却原子は、天然に存在する材料であるため、量子ドットなどとは異なり、発光輝線のばらつきがない。したがって、非常に良質な単一光子源や、空間的に異なる場所で通信を行う際の量子中継器などへの応用が期待されている。

しかし、これら冷却原子を用いる測定装置（原子捕捉装置）は、大きな真空チャンバー、複数のレーザ、周波数安定化の機構など、大掛かりな装置が必要で、煩雑化や巨大化が問題であった。さらに、原子を捕捉するためには、高パワーレーザを用いて捕捉（双極子トラップ）するために、消費エネルギーも大きな問題になっている。

そこで、近年、冷却原子をナノ光回路に集積する研究が行われるようになった。ナノ領域に光を閉じ込めることができれば、レーザパワーが低くても光密度を十分高くすることができる。これまで、光ファイバをテーパー状に加工した構造を用いる原子捕捉装置（非特許文献１）や、シリカ微小共振器（非特許文献２）、トレンチ導波路（非特許文献３）を用いる原子捕捉装置が開発されてきた。

しかし、光ファイバの場合は、母体材料がガラス（ＳｉＯ２）であるために、屈折率が１．４程度と低く、光閉じ込めを強くできなかった。また、一般的なトレンチ導波路も、光学設計に自由度が少なく、原子をトラップするための光密度の最適化に限界がある。

これらの問題を解決するために、近年、フォトニック結晶を用いた原子トラップ（捕捉）が注目を集めている（非特許文献４）。フォトニック結晶を用いれば、より高い材料屈折率と、フォトニックバンドギャップにより、非常に小さな領域に光を強く閉じ込めることができるため、非常に低い入力パワーでも原子を捕捉できる。

Fam Le Kien and K. Hakuta, "Microtraps for atoms outside a fiber illuminated perpendicular to its axis: Numerical results", Phys. Rev. A 80, 013415 (2009). Takao Aoki, A. S. Parkins, D. J. Alton, C. A. Regal, Barak Dayan, E. Ostby, K. J. Vahala, and H. J. Kimble、,"Efficient Routing of Single Photons by One Atom and a Microtoroidal Cavity",Phys. Rev. Lett. 102, 083601 (2009) Ralf Ritter, Nico Gruhler, Helge Dobbertin, Harald Kubler, Stefan Scheel, Wolfram Pernice, Tilman Pfau, and Robert Low, "Coupling Thermal Atomic Vapor to Slot Waveguides",Phys. Rev. X 8, 021032 (2018) A. Goban, C.-L. Hung, S.-P. Yu, J.D. Hood, J.A. Muniz, J.H. Lee, M.J. Martin, A.C. McClung, K.S. Choi, D.E. Chang, O. Painter & H.J. Kimble, "Atom-light interactions in photonic crystals", Nature Communications, 5, 3808 (2014)

しかしながら、従来のフォトニック結晶を用いる捕捉装置は、原子捕捉に用いるレーザ光を発振する装置がフォトニック結晶の外部に配置されているため、装置全体が大型化していた。また、レーザ光を外部からガイドする必要があり、入出力導波路端面での光学結合損が大きいので、装置を動作させるために多大な電力を要していた。

本発明の目的は、フォトニック結晶レーザを用いて、オンチップの小型かつ低消費電力の原子捕捉装置を提供することである。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るフォトニック結晶デバイスは、フォトニック結晶本体とスロット導波路と引力トラップ光レーザとを備え、原子を捕捉するために用いられるフォトニック結晶デバイスであって、前記フォトニック結晶本体は、基部と、前記基部に周期的に設けられた複数の格子要素とを有し、前記スロット導波路が、周期格子列の間に配置され、前記フォトニック結晶本体の一の側面に開口部を有し、前記引力トラップ光レーザが、前記開口部から入射する励起光よって励起され、前記原子の吸収端よりも長い波長で発振することを特徴とする。

また、本発明に係る原子捕捉装置は、フォトニック結晶本体とスロット導波路と引力トラップ光レーザと斥力トラップ光レーザとを備え、原子を捕捉する原子捕捉装置であって、前記フォトニック結晶本体は、基部と、前記基部に周期的に設けられた複数の格子要素とを有し、前記スロット導波路が、前記フォトニック結晶本体内の周期格子列の間に配置され、前記引力トラップ光レーザが、前記原子の吸収端よりも長い波長で発振し、前記斥力トラップ光レーザが、前記原子の吸収端よりも短い波長で発振し、前記引力トラップ光レーザの光と、前記斥力トラップ光レーザの光が、前記スロット導波路に入射できるように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、小型かつ低消費電力の原子捕捉装置を提供できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る原子捕捉装置の概観図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る原子捕捉装置の上面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態におけるフォトニック結晶本体の上面図である。図４は、本発明の第１の実施の形態に係る原子捕捉装置における引力トラップ光の電場の強度分布の上面図である。図５は、本発明の第１の実施の形態に係る原子捕捉装置における引力トラップ光の電場の強度分布のＩＶ－ＩＶ’での断面図である。である。図６は、本発明の第１の実施の形態に係る原子捕捉装置における斥力トラップ光の電場の強度分布の上面図である。図７は、本発明の第１の実施の形態に係る原子捕捉装置における斥力トラップ光の電場の強度分布のＶＩ－ＶＩ’での断面図である。図８は、本発明の第１の実施の形態に係る原子捕捉装置の動作原理を説明するための図である。図９は、本発明の第２の実施の形態に係る原子捕捉装置の概観図である。図１０は、本発明の第２の実施の形態に係る原子捕捉装置の上面図である。図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る原子捕捉装置の概観図である。図１２は、本発明の第３の実施の形態に係る原子捕捉装置の上面図である。図１３は、本発明の第４の実施の形態に係る原子捕捉装置の概観図である。図１４は、本発明の第４の実施の形態に係る原子捕捉装置の上面図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態について図１～８を参照して説明する。

＜原子捕捉装置の構成＞
図１、２にそれぞれ、本実施の形態に係る原子捕捉装置１０の外観図と上面図を示す。原子捕捉装置１０は、フォトニック結晶デバイス１０１と励起レーザ１４を備える。フォトニック結晶デバイス１０１は、フォトニック結晶本体１１と、スロット導波路１２と、引力トラップ光レーザ１３とを備える。

以下、図中、ＸＹ面を水平面という。また、Ｘ方向を水平方向、Ｙ方向を導波路方向という。また、Ｚ方向を垂直方向という。

引力トラップ光レーザ１３を励起するために、励起レーザ１４をフォトニック結晶デバイス１０１の外部に配置し、励起レーザ１４からの励起光をスロット導波路１２に入射する。

図３に、フォトニック結晶本体１１の上面図を示す。フォトニック結晶本体１１は、いわゆる２次元スラブ型のフォトニック結晶であり、基部１１１と複数の格子要素１１２から構成される。格子要素１１２は、基部とは異なる屈折率を有し、三角格子状に周期的に設けられる。本実施の形態では、円柱状の中空構造を用いる。

たとえば、フォトニック結晶本体１１は、吸収線が７８０ｎｍであるルビジウム原子を想定した場合、可視光領域でも使える窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）で構成される。このとき、フォトニック結晶は、可視光から近赤外で光を通せばよいの、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や酸化チタン（ＴｉＯ２）などの他の材料でもよい。

フォトニック結晶本体１１の厚さは２００ｎｍである。円形孔１１２の直径は２００ｎｍ、三角格子における円形孔間の距離（格子定数）は３３０ｎｍである。このサイズはルビジウムに対応するものであり、対象の原子によって設計は異なる。例えば、吸収波長が短いストロンチウムの場合は、波長に比例して円形孔の直径、格子定数は小さくなる。

スロット導波路１２はスラブを貫通しており、幅は５０ｎｍ～１００ｎｍ程度、長さは数１０ｎｍである。スロット導波路の長さはこれに限らない。

フォトニック結晶本体１１には、スロット導波路１２が設けられる。スロット導波路１２は、フォトニック結晶本体１１の１つの側面に開口部を有する。スロット導波路１２は、トレンチ構造であり、断面が矩形状である。ここで断面の形状は矩形状に限らず、上に凸の台形または下に凸の台形であってもよい。後述の通り、原子がスロット導波路に閉じ込められる形状であればよい。

スロット導波路１２は、周期格子列の間に配置される。詳細には、スロット導波路１２は、フォトニック結晶本体１１における１列の周期格子列（例えば、図３中、点線の円１１２１が構成する列）を除いた後のスペースに配置される。以下、「周期格子列」とは、最近接の格子要素１１２間を導波路方向（Ｙ方向）に結ぶ直線上に配置される格子要素１１２の列をいい、本実施の形態では、三角格子を形成する一辺の延長線（例えば、図３中、破線１１２３）上に配置される格子要素１１２の列である。

その結果、水平面において、上面図における導波路方向のスロット導波路１２の中心線（図３中、一点鎖線１２１）を対称軸として、線対称に格子要素１１２が配置されることになる。

スロット導波路１２の配置について、上面図における光の導波方向のスロット導波路１２の中心線（図３中、一点鎖線１１３１）と、スロット導波路１２に最も近い格子要素１１２の中心との距離は２８６ｎｍ程度である。

スロット導波路１２の配置について、スロット導波路１２の中心線１１３１を対称軸として、線対称に格子要素１１２が配置されることに限らない。スロット導波路１２が、周期格子列の間に配置されればよく、周期格子列に略平行に配置されることが望ましい。ここで、「略平行」とは、完全に平行な場合を含み、平行線と僅かな角度をなす場合を含む。この場合に、僅かな角度とは、スロット導波路１２内を引力トラップ光レーザ１３と斥力トラップ光レーザ１４とが伝搬できる程度の角度をいう。具体的には、０°より大きく１０°以下程度をいう。

引力トラップ光レーザ１３は、幅が２００ｎｍ程度、厚さが１００～１５０ｎｍ程度である。引力トラップ光レーザ１３には、例えば、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．１μｍ）障壁層からなる量子井戸構造を有し、
発振波長が１５００ｎｍである半導体量子井戸レーザを用いる。

捕捉する原子としてルビジウム原子を対象とする場合、その吸収端（７８０ｎｍ）よりも長波長で発振するレーザであれば、これに限らない。ＡｌＩｎＧａＡｓ系半導体、ＧａＩｎＮＡｓ系半導体、ＧａＳｂ系系半導体を用いたレーザを用いてもよい。

捕捉する原子としてルビジウム原子以外の原子を対象とする場合は、その原子の吸収端よりも長波長で発振するレーザであればよい。例えば、吸収端が４６０ｎｍであるストロンチウムを対象とする場合には、４６０ｎｍよりも長波長で発振するレーザであればよく、８００から９００ｎｍの発振波長を有するＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系半導体のレーザを用いることもできる。

引力トラップ光レーザ１３は、転写プリント法や原子間力顕微鏡、マイクロマニピュレータなどのナノ制御技術を用いてフォトニック結晶本体１１に集積される。

＜原子捕捉装置の動作原理＞
本実施の形態では、引力トラップ光レーザ１３の駆動に光励起を用いる。引力トラップ光レーザ１３を励起する光は、短波長帯であり、励起レーザ１４より発振（発光）される。一般に、本実施の形態のフォトニック結晶の構成を用いる場合、引力トラップ光レーザ１３だけでは、原子をスロット導波路１２内に捕捉することはできない。

スロット導波路１２内に原子を捕捉するためには、引力トラップ光レーザ１３だけでなく斥力トラップ光レーザが必要となる。本実施の形態では、原子の吸収端より短い波長を発振波長とする励起レーザ１４を、斥力トラップ光レーザ１４としても用いる。

引力トラップ光レーザ１３において、原子が吸収する光より長い波長の光を原子に照射すると、電場が中心に作用して、電場の強い領域に原子が集まる。このように原子に対して引力がはたらく。

一方、斥力トラップ光レーザ１４において、原子が吸収する光より短い波長の光を原子に照射すると、光が散乱して電場と逆方向に力がはたらく。このように原子に対して斥力がはたらく。

本実施の形態に係る原子捕捉装置１０の詳細な動作原理を、図４～７を参照して説明する。図４～７に引力トラップ光１５と斥力トラップ光１６の電場の強度分布とその模式図を示す。電場の強度は明暗（白黒）で示され、明るい（白い）領域で電場が強く、暗い領域で電場が弱いことを示す。模式図では、スロット導波路１２において、電場の強度の高い領域を斜線で示し、低い領域を黒色で示す。また、光が閉じ込められている領域を点線で示す。

また、スロット導波路１２に最も近い円形孔の列１１２２において円形孔１１２の間の周期的な位置、換言すれば、スロット導波路１２に２番目に近い円形孔の列１１２４において円形孔１１２が周期的に配置される位置をＡとする。また、円形孔の列１１２２において円形孔１１２が周期的に配置される位置をＢとする（図４、図６参照）。

図４に、引力トラップ光レーザ１３の基底モードの電場の強度分布の上面図１５１１を示す。ここで、引力トラップ光レーザ１３の基底モードは、原子が吸収する光より長い波長を有する。また、図５に、上面図１５１１内のＩＶ－ＩＶ’での断面図１５２１を示す。図４、５に、強度分布の模式図１５１２、１５２２を併せて示す。

図４に示すように、スロット導波路１２に基底モードの光が集中し、位置Ａで電場が強く、位置Ｂで電場が弱い周期的な分布を有する。

また、図５に示すように、スロット導波路１２内に基底モードの光（電場）が集中する。この基底モードの光の電場分布において、導波路方向（Ｙ方向）においては、引力トラップ光レーザ１３の基底モードの光は原子に吸収され、原子に対して引力としてはたらくので、原子は電場の強いスロット導波路１２に集まり、スロット導波路１２に閉じ込められる。

一方、水平方向（Ｘ方向）においては、原子を閉じ込める引力ポテンシャル範囲内にスロット導波路１２の側壁があるので、原子に対して引力がはたらく前に側壁と衝突して引力ポテンシャルの外部に飛ばされてしまう。

このように、引力トラップ光１５だけでは原子を捕捉することはできない。そこで、引力トラップ光１５に加えて、斥力トラップ光１６を用いることにより原子を捕捉することができる。詳細を以下に説明する。

図６に、斥力トラップ光レーザ１４の高次モードの電場の強度分布の上面図１６１１を示す。ここで、斥力トラップ光レーザ１４の高次モードは、原子が吸収する光より短い波長を有する。また、図７に、上面図１６１１内のＶＩ－ＶＩ’での断面図１６２１を示す。すなわち、断面図１６２１は位置Ａでの断面図である。図３、４に、強度分布の模式図１６１２、１６２２を併せて示す。

図６に示すように、斥力トラップ光レーザ１４の高次モードの電場は、位置Ｂで電場が強く、位置Ａで電場が弱い周期的な分布を有する。すなわち、スロット導波路１２での電場の強度の周期が、引力トラップ光レーザ１３の基底モードから１８０°シフトしている。

また、図７に示すように、斥力トラップ光レーザ１４の高次モードの電場は、位置Ａでスロット導波路１２の側壁の外側に集中する。斥力トラップ光レーザ１４の高次モードは原子に吸収されないので、原子に対して斥力としてはたらく。したがって、引力トラップ光１５によりスロット導波路１２の側壁の外側に斥力が生じるので、導波路方向（Ｙ方向）の垂直方向でスロット導波路１２内に、原子を閉じ込めることができる。

図８に、スロット導波路１２周辺における、引力トラップ光レーザ１３と斥力トラップ光レーザ１４の電場の強度分布を模式的に示す。図８において、斜線部１５３が引力トラップ光レーザ１３の電場が強い領域で、点線部１６３が斥力トラップ光レーザ１４の電場が強い領域を示す。

スロット導波路１２内部では位置Ａで引力トラップ光レーザ１３の電場が強く、位置Ｂで斥力トラップ光レーザ１４の電場が強い。すなわち、位置Ａで引力がはたらき、位置Ｂで斥力がはたらく。その結果、スロット導波路１２内では導波路方向（Ｙ方向）においては位置Ａに原子が集まる。

斥力トラップ光レーザ１４の高次モードは原子に吸収されずに、原子に対して斥力としてはたらく。したがって、スロット導波路１２内で、位置Ａで引力が生じ、位置Ｂで斥力が生じるので、原子は位置Ａに閉じ込められる。

一方、スロット導波路１２の側壁の外側では、位置Ａで引力トラップ光レーザ１３の電場が強い。斥力トラップ光レーザ１４の高次モードは原子に吸収されないので、原子に対して斥力としてはたらく。その結果、水平面において、原子は位置Ａで水平方向（Ｘ方向）にスロット導波路１２内に閉じ込められる。

また、水平面に対して垂直方向（Ｚ方向）においては、原子は引力トラップ光レーザ１３の電場によりスロット導波路１２内で位置Ａに閉じ込められる。

このように、引力トラップ光１５に加えて、斥力トラップ光１６を用いることにより、原子をスロット導波路１２内に閉じ込め、捕捉することができる。

本実施の形態に係る原子捕捉装置によれば、１つのレーザ（引力トラップ光レーザ）がフォトニック結晶デバイス内に集積され、外部に大型のレーザを複数配置する必要がないので、原子捕捉装置全体を小型化できる。また、微細で低電力駆動のレーザを用いるので、原子捕捉装置及びシステム全体の消費電力（動作エネルギー）を大幅に低減することが可能になる。さらに、静電容量の小さいナノレーザを使えば、高速にポテンシャルを変調（トラップポテンシャルの開放）する原子捕捉装置を実現できる。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態に係る原子捕捉装置は、第１の実施の形態に係る原子捕捉装置と同様に、フォトニック結晶本体と、スロット導波路と、引力トラップ光レーザとを有し、動作原理も略同様である。第２の実施の形態に係る原子捕捉装置は、斥力トラップ光レーザがフォトニック結晶本体（スラブ）内に集積される点で第１の実施の形態と異なる。

図９、１０それぞれに、第２の実施の形態に係る原子捕捉装置２０の概観図を示す。第２の実施の形態に係る原子捕捉装置２０は、フォトニック結晶本体２１と、スロット導波路２２を有し、導波路方向（Ｙ方向）に、スロット導波路２２を中心にして引力トラップ光レーザ２３と、斥力トラップ光レーザ２４とを対向させて配置する。

引力トラップ光レーザ２３と、斥力トラップ光レーザ２４は、転写プリント法や原子間力顕微鏡、マイクロマニピュレータなどのナノ制御技術を用いてフォトニック結晶本体２１に集積される。

フォトニック結晶本体２１の構成は第１の実施の形態と同様である。スロット導波路２２の構成もフォトニック結晶本体２１の端部ではなく内部にあること以外は、第１の実施の形態と同様である。

引力トラップ光レーザ２３も第１の実施の形態と同様であり、捕捉原子がルビジウムである場合、ルビジウムの吸収線よりも長波長で発振（発光）する。

斥力トラップ光レーザ２４は、第１の実施の形態における励起レーザと同様の作用をするものであり、外部からの励起光２７により、ルビジウムの吸収線よりも短波長のレーザ光を発振（発光）する。レーザ光は、斥力トラップ光としてはたらくともに、引力トラップ光レーザ２３を励起する。斥力トラップ光レーザ２４の材料には、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系結晶、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系結晶、リン化ガリウム（ＧａＰ）系結晶、ペロブスカイトなどを用いることができる。

本実施の形態では、引力トラップ光レーザ２３による引力トラップ光２５と、斥力トラップ光レーザ２４による斥力トラップ光２６をスロット導波路２２に伝搬させることにより、第１の実施の形態と同様にスロット導波路２２内で原子を捕捉できる。

このように、第２の実施の形態に係る原子捕捉装置２０によれば、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。さらに、引力トラップ光レーザ２３と、斥力トラップ光レーザ２４ともにフォトニック結晶本体２１内に集積されるので、さらなる小型化、光損失の抑制が可能になる。

＜第３実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。第３の実施の形態に係る原子捕捉装置は、第２の実施の形態に係る原子捕捉装置と、構成、動作原理は略同様である。第３の実施の形態に係る原子捕捉装置は、フォトニック結晶本体（スラブ）内に集積される斥力トラップ光レーザが電流注入により駆動する点で第２の実施の形態と異なる。

図１１、１２それぞれに、第３の実施の形態に係る原子捕捉装置３０の概観図、概観図を示す。第３の実施の形態に係る原子捕捉装置３０は、フォトニック結晶本体３１と、スロット導波路３２を有し、導波路方向（Ｙ方向）に、スロット導波路３２を中心にして引力トラップ光レーザ３３と、斥力トラップ光レーザ３４とを配置する。斥力トラップ光レーザ３４は電流注入により駆動し、電極３７を備える。

本実施の形態では、斥力トラップ光レーザ３４が電流注入によりルビジウムの吸収線よりも短波長のレーザ光３６を発振（発光）する。このレーザ光３６により、引力トラップ光レーザ３３は励起され、ルビジウムの吸収線よりも長波長のレーザ光３５を発振（発光）する。引力トラップ光レーザ３３による引力トラップ光（レーザ光）３５と斥力トラップ光レーザ３４による斥力トラップ光（レーザ光）３６をスロット導波路３２内に伝搬させることにより、第１の実施の形態と同様に原子を捕捉できる。

このように、第３の実施の形態に係る原子捕捉装置３０によれば、第１、２の実施の形態と同様の効果を奏する。また、フォトニック結晶本体２１内に集積される斥力トラップ光レーザ２４を電流注入で駆動するので、外部の励起レーザが不要となり、装置全体でさらなる小型化、低消費電力化が可能になる。

＜第４実施の形態＞
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。第４の実施の形態に係る原子捕捉装置は、第２、３の実施の形態に係る原子捕捉装置と同様に、フォトニック結晶本体と、スロット導波路と、引力トラップ光レーザと斥力トラップ光レーザとを有し、動作原理も略同様である。第４の実施の形態に係る原子捕捉装置は、引力トラップ光レーザと斥力トラップ光レーザともに電流注入で駆動する点と、スロット導波路と引力トラップ光レーザと斥力トラップ光レーザとの配置が第２、３の実施の形態と異なる。

図１３、１４それぞれに、第４の実施の形態に係る原子捕捉装置４０の概観図を示す。第４の実施の形態に係る原子捕捉装置４０は、フォトニック結晶本体４１と、スロット導波路４２と、引力トラップ光レーザ４３と、斥力トラップ光レーザ４４とを有する。引力トラップ光レーザ４３と斥力トラップ光レーザ４４は、電流注入により駆動し、電極４７を備える。

引力トラップ光レーザ４３は電流注入により駆動し、斥力トラップ光レーザ４４からの励起光を必要としないので、引力トラップ光レーザ４３と斥力トラップ光レーザ４４の配置を対向させる必要がない。

本実施の形態では、引力トラップ光レーザ４３が電流注入によりルビジウムの吸収線よりも長波長のレーザ光４５を発振（発光）する。一方、斥力トラップ光レーザ４４が電流注入によりルビジウムの吸収線よりも短波長のレーザ光４６を発振（発光）する。これらのレーザ光４５、４６をスロット導波路４２に斜め方向から入射して、スロット導波路４２内に伝搬させることにより、第１の実施の形態と同様に原子を捕捉できる。

このように、第４の実施の形態に係る原子捕捉装置４０によれば、第１～３の実施の形態と同様の効果を奏する。さらに、引力トラップ光レーザ４３と斥力トラップ光レーザ４４を個別に電流注入により駆動できるので、引力と斥力のポテンシャルを独立に制御できる。

また、引力トラップ光レーザ４３と斥力トラップ光レーザ４４を対向させて配置する必要がないので、引力トラップ光レーザと斥力トラップ光レーザとスロット導波路とを高い自由度で配置できる。

本実施の形態では、引力トラップ光レーザと斥力トラップ光レーザとともに電流注入により発振（発光）させたが、別々の励起光によって励起して発振（発光）させても、原子捕捉装置として動作できる。

本発明に係る原子捕捉装置によれば、少なくとも１つ以上のレーザ（引力トラップ光レーザ）がチップ（フォトニック結晶）内に集積され、外部に大型のレーザを複数配置する必要がないので、原子捕捉装置全体を小型化できる。また、微細で低電力駆動のレーザを用いるので、原子捕捉装置及びシステム全体の消費電力（動作エネルギー）を大幅に低減することが可能になる。さらに、静電容量の小さいナノレーザを使えば、高速にポテンシャルを変調（トラップポテンシャルの開放）する原子捕捉装置を実現できる。

本発明の実施の形態では、スロット導波路を、フォトニック結晶本体の端面に垂直になるように設ける例を示したが、これに限らず、フォトニック結晶本体の端面に対して斜め方向に設けてもよい。フォトニック結晶本体の格子要素が三角格子状である場合には、フォトニック結晶本体の端面に対して３０°（又は１５０°）の角度になるように設けてもよい。

本発明の実施の形態では、フォトニック結晶本体の格子要素を、円柱状の中空構造とし、三角格子状に周期的に設けたが、これに限らない。形状は円柱状でなくても柱状でもよく、複数の略同一形状の立体が周期的に配置されていればよい。中空構造でなくても基部とは異なる屈折率を有すればよい。三角格子状でなくても正方格子状でもよい。また、寸法も、対象とする光の波長に応じて他の寸法を用いればよい。

本発明の実施の形態では、フォトニック結晶光学素子の構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。フォトニック結晶光学素子の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。

本発明は、冷却原子を用いる測定装置として、量子コンピュータ、単一光子源、量子シミュレータなど、量子情報デバイスやそのプラットフォームの開発に応用することができる。

１０原子捕捉装置
１０１フォトニック結晶デバイス
１１フォトニック結晶本体
１１１基部
１１２格子要素
１２スロット導波路
１３引力トラップ光レーザ
１４励起レーザ（斥力トラップ光レーザ）

Claims

フォトニック結晶本体とスロット導波路と引力トラップ光レーザとを備え、原子を捕捉するために用いられるフォトニック結晶デバイスであって、
前記フォトニック結晶本体は、基部と、前記基部に周期的に設けられた複数の格子要素とを有し、
前記スロット導波路が、周期格子列の間に配置され、前記フォトニック結晶本体の一の側面に開口部を有し、
前記引力トラップ光レーザが、前記開口部から入射する励起光よって励起され、前記原子の吸収端よりも長い波長で発振することを特徴とするフォトニック結晶デバイス。
請求項１に記載のフォトニック結晶デバイスと、励起光レーザとを備え、
励起光レーザが前記励起光を発振することを特徴とする原子捕捉装置。
フォトニック結晶本体とスロット導波路と引力トラップ光レーザと斥力トラップ光レーザとを備え、原子を捕捉する原子捕捉装置であって、
前記フォトニック結晶本体は、基部と、前記基部に周期的に設けられた複数の格子要素とを有し、
前記スロット導波路が、前記フォトニック結晶本体内の周期格子列の間に配置され、
前記引力トラップ光レーザが、前記原子の吸収端よりも長い波長で発振し、
前記斥力トラップ光レーザが、前記原子の吸収端よりも短い波長で発振し、
前記引力トラップ光レーザの光と、前記斥力トラップ光レーザの光が、前記スロット導波路に入射できるように配置されていることを特徴とする原子捕捉装置。
前記引力トラップ光レーザと前記斥力トラップ光レーザとが、導波路方向に、前記スロット導波路を中心に対向して配置される、請求項３に記載の原子捕捉装置。
前記斥力トラップ光レーザが電流注入により発振する請求項３又は請求項４に記載の原子捕捉装置。
前記引力トラップ光レーザが電流注入により発振する請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の原子捕捉装置。