WO2021214864A1 - フォトニック結晶デバイスおよび原子捕捉装置 - Google Patents

フォトニック結晶デバイスおよび原子捕捉装置 Download PDF

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WO2021214864A1
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laser
atom
photonic crystal
trap
attractive
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雅人 滝口
哲哉 向井
納富　雅也
尚友 武村
新家　昭彦
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/11—Comprising a photonic bandgap structure

Definitions

  • the present invention relates to a compact and low power consumption atomic capture device.
  • the measuring device atom capturing device
  • a large-scale device such as a large vacuum chamber, multiple lasers, and a frequency stabilization mechanism, which causes problems of complexity and enormous growth.
  • energy consumption is also a big problem because they are captured by using a high-power laser (dipole trap).
  • Non-Patent Document 1 a structure in which an optical fiber is processed into a tapered shape
  • Non-Patent Document 2 a silica microresonator
  • Non-Patent Document 3 an atomic capture device using a trench waveguide
  • the base material is glass (SiO2)
  • the refractive index is as low as about 1.4, and light confinement cannot be strengthened.
  • a general trench waveguide also has a small degree of freedom in optical design, and there is a limit in optimizing the light density for trapping atoms.
  • Non-Patent Document 4 atomic traps using photonic crystals have been attracting attention in order to solve these problems.
  • photonic crystals With photonic crystals, the higher material index of refraction and the photonic band gap allow light to be strongly confined in very small regions, allowing atoms to be captured even at very low input powers.
  • the device that oscillates the laser beam used for atom capture is arranged outside the photonic crystal, so that the entire device has become large. Further, since it is necessary to guide the laser beam from the outside and the optical coupling loss at the end surface of the input / output waveguide is large, a large amount of electric power is required to operate the apparatus.
  • An object of the present invention is to provide an on-chip compact and low power consumption atomic capture device using a photonic crystal laser.
  • the photonic crystal device includes a photonic crystal body, a slot waveguide, and an attractive trap light laser, and is used for capturing atoms.
  • the photonic crystal body has a base portion and a plurality of lattice elements periodically provided on the base portion, and the slot waveguide is arranged between the periodic lattice rows, and the photonic crystal body is arranged. It has an opening on one side surface of the crystal body, and the attractive trap light laser is excited by excitation light incident from the opening and oscillates at a wavelength longer than the absorption end of the atom.
  • the atomic capture device includes a photonic crystal body, a slot waveguide, an attractive force trap light laser, and a repulsive force trap light laser, and is an atom capture device that captures atoms.
  • the photonic crystal body is a photonic crystal body.
  • the slot waveguide is arranged between the periodic lattice rows in the photonic crystal body, and the attractive trap light laser has a base and a plurality of lattice elements periodically provided on the base.
  • the repulsive trap light laser oscillates at a wavelength longer than the absorption end of the atom, and the repulsive trap light laser oscillates at a wavelength shorter than the absorption end of the atom, and the light of the attractive trap light laser and the light of the repulsive trap light laser. Is arranged so that it can enter the slot waveguide.
  • FIG. 1 is an overview view of an atomic trapping device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a top view of the atom trapping device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a top view of the photonic crystal body according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a top view of the intensity distribution of the electric field of the attractive trap light in the atomic trapping device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a sectional view taken along line IV-IV'of the intensity distribution of the electric field of the attractive trap light in the atomic trapping device according to the first embodiment of the present invention. Is. FIG.
  • FIG. 6 is a top view of the intensity distribution of the electric field of the repulsive trap light in the atom trapping device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line VI-VI'of the intensity distribution of the electric field of the repulsive trap light in the atom trapping device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the operating principle of the atomic trapping device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an overview view of the atom trapping device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a top view of the atom trapping device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is an overview view of the atom trapping device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a top view of the atom trapping device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is an overview view of the atom trapping device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a top view of the atom trapping device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • ⁇ Structure of atom capture device> 1 and 2 show an external view and a top view of the atom trapping device 10 according to the present embodiment, respectively.
  • the atom capture device 10 includes a photonic crystal device 101 and an excitation laser 14.
  • the photonic crystal device 101 includes a photonic crystal body 11, a slot waveguide 12, and an attractive trap light laser 13.
  • the XY plane is referred to as a horizontal plane.
  • the X direction is referred to as a horizontal direction
  • the Y direction is referred to as a waveguide direction.
  • the Z direction is referred to as a vertical direction.
  • the excitation laser 14 is arranged outside the photonic crystal device 101, and the excitation light from the excitation laser 14 is incident on the slot waveguide 12.
  • FIG. 3 shows a top view of the photonic crystal body 11.
  • the photonic crystal body 11 is a so-called two-dimensional slab type photonic crystal, and is composed of a base 111 and a plurality of lattice elements 112.
  • the lattice element 112 has a refractive index different from that of the base portion, and is periodically provided in a triangular lattice pattern.
  • a cylindrical hollow structure is used.
  • the photonic crystal body 11 is composed of silicon nitride (SiNx) that can be used even in the visible light region, assuming a rubidium atom having an absorption line of 780 nm.
  • the photonic crystal may be another material such as silicon carbide (SiC) or titanium oxide (TiO2), as long as light is transmitted from visible light to near infrared light.
  • the thickness of the photonic crystal body 11 is 200 nm.
  • the diameter of the circular holes 112 is 200 nm, and the distance between the circular holes (lattice constant) in the triangular lattice is 330 nm. This size corresponds to rubidium, and the design differs depending on the target atom. For example, in the case of strontium having a short absorption wavelength, the diameter of the circular hole and the lattice constant become smaller in proportion to the wavelength.
  • the slot waveguide 12 penetrates the slab, has a width of about 50 nm to 100 nm, and a length of several tens of nm.
  • the length of the slot waveguide is not limited to this.
  • the photonic crystal body 11 is provided with a slot waveguide 12.
  • the slot waveguide 12 has an opening on one side surface of the photonic crystal body 11.
  • the slot waveguide 12 has a trench structure and a rectangular cross section.
  • the shape of the cross section is not limited to a rectangular shape, and may be a trapezoid that is convex upward or a trapezoid that is convex downward. As will be described later, the shape may be such that the atoms are confined in the slot waveguide.
  • the slot waveguide 12 is arranged between the periodic lattice columns. Specifically, the slot waveguide 12 is arranged in the space after removing one row of periodic lattice rows (for example, the row formed by the dotted circle 1121 in FIG. 3) in the photonic crystal body 11.
  • the "periodic lattice sequence” refers to a sequence of lattice elements 112 arranged on a straight line connecting the closest lattice elements 112 in the waveguide direction (Y direction), and in the present embodiment, a triangular lattice is used. It is a row of lattice elements 112 arranged on an extension line of one side to be formed (for example, broken line 1123 in FIG. 3).
  • the lattice elements 112 are arranged line-symmetrically with the center line of the slot waveguide 12 in the waveguide direction in the top view (the alternate long and short dash line 121 in FIG. 3) as the axis of symmetry.
  • the lattice elements 112 are not limited to be arranged line-symmetrically with the center line 1131 of the slot waveguide 12 as the axis of symmetry.
  • the slot waveguide 12 may be arranged between the periodic lattices, and it is desirable that the slot waveguides 12 are arranged substantially parallel to the periodic lattice.
  • substantially parallel includes a case of being completely parallel and a case of forming a slight angle with a parallel line.
  • the slight angle means an angle at which the attractive trap light laser 13 and the repulsive trap light laser 14 can propagate in the slot waveguide 12. Specifically, it means about 10 ° or less, which is larger than 0 °.
  • the attractive trap light laser 13 has a width of about 200 nm and a thickness of about 100 to 150 nm.
  • the attractive trap light laser 13 has, for example, a quantum well structure composed of an InGaAs quantum well layer on an InP substrate and an InGaAsP (composition wavelength: 1.1 ⁇ m) barrier layer.
  • a semiconductor quantum well laser having an oscillation wavelength of 1500 nm is used.
  • the laser is not limited to this as long as it is a laser that oscillates at a wavelength longer than its absorption edge (780 nm).
  • a laser using an AlInGaAs-based semiconductor, a GaInNAs-based semiconductor, or a GaSb-based semiconductor may be used.
  • a laser that oscillates at a wavelength longer than the absorption edge of that atom may be used.
  • a laser that oscillates at a wavelength longer than 460 nm may be used, and an AlGaAs / GaAs semiconductor laser having an oscillation wavelength of 800 to 900 nm may be used. can.
  • the attractive trap optical laser 13 is integrated in the photonic crystal body 11 by using a transfer printing method, an atomic force microscope, a micromanipulator, or other nano-control technology.
  • photoexcitation is used to drive the attractive trap light laser 13.
  • the light that excites the attractive trap light laser 13 is in a short wavelength band and is oscillated (emitted) from the excitation laser 14.
  • the configuration of the photonic crystal of the present embodiment is used, the atom cannot be captured in the slot waveguide 12 only by the attractive trap light laser 13.
  • the excitation laser 14 having a wavelength shorter than the absorption edge of the atom as the oscillation wavelength is also used as the repulsive trap light laser 14.
  • the attractive trap light laser 13 when an atom is irradiated with light having a wavelength longer than the light absorbed by the atom, the electric field acts in the center and the atom gathers in a region where the electric field is strong. In this way, the attractive force acts on the atom.
  • the repulsive force trap light laser 14 when the atom is irradiated with light having a wavelength shorter than the light absorbed by the atom, the light is scattered and the force acts in the direction opposite to the electric field. In this way, the repulsive force works on the atom.
  • FIGS. 4 to 7 show the intensity distribution of the electric fields of the attractive trap light 15 and the repulsive trap light 16 and a schematic diagram thereof.
  • the strength of the electric field is shown in light and dark (black and white), indicating that the electric field is strong in the bright (white) region and weak in the dark region.
  • the region where the electric field strength is high is shown by diagonal lines, and the region where the electric field strength is low is shown in black.
  • the area where light is confined is indicated by a dotted line.
  • A the position where the target is arranged.
  • B the position where the circular holes 112 are periodically arranged in the row 1122 of the circular holes.
  • FIG. 4 shows a top view 1511 of the intensity distribution of the electric field in the basal mode of the attractive trap light laser 13.
  • the basal mode of the attractive trap light laser 13 has a longer wavelength than the light absorbed by the atoms.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view 1521 of IV-IV'in the top view 1511.
  • FIGS. 4 and 5 also show schematic diagrams 1512 and 1522 of the intensity distribution.
  • the light in the basal mode is concentrated on the slot waveguide 12, and has a periodic distribution in which the electric field is strong at the position A and the electric field is weak at the position B.
  • the light (electric field) in the basal mode is concentrated in the slot waveguide 12.
  • the light in the ground mode of the attractive trap light laser 13 is absorbed by the atom and acts as an attractive force on the atom, so that the atom has a strong electric field. It gathers in the slot waveguide 12 and is confined in the slot waveguide 12.
  • FIG. 6 shows a top view 1611 of the intensity distribution of the electric field in the higher mode of the repulsive trap optical laser 14.
  • the higher-order mode of the repulsive trap light laser 14 has a wavelength shorter than the light absorbed by the atom.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view 1621 of VI-VI'in the top view 1611. That is, the cross-sectional view 1621 is a cross-sectional view at the position A.
  • FIGS. 3 and 4 also show schematic views 1612 and 1622 of the intensity distribution.
  • the electric field in the higher mode of the repulsive trap light laser 14 has a periodic distribution in which the electric field is strong at the position B and the electric field is weak at the position A. That is, the period of the intensity of the electric field in the slot waveguide 12 is shifted by 180 ° from the base mode of the attractive trap light laser 13.
  • the electric field of the repulsive trap optical laser 14 in the higher-order mode is concentrated on the outside of the side wall of the slot waveguide 12 at the position A. Since the higher-order mode of the repulsive trap optical laser 14 is not absorbed by the atom, it acts as a repulsive force with respect to the atom. Therefore, since the attractive force trap light 15 generates a repulsive force on the outside of the side wall of the slot waveguide 12, atoms can be confined in the slot waveguide 12 in the direction perpendicular to the waveguide direction (Y direction).
  • FIG. 8 schematically shows the intensity distribution of the electric fields of the attractive trap optical laser 13 and the repulsive trap optical laser 14 around the slot waveguide 12.
  • the shaded line portion 153 indicates a region where the electric field of the attractive trap light laser 13 is strong
  • the dotted line portion 163 shows a region where the electric field of the repulsive trap light laser 14 is strong.
  • the electric field of the attractive trap light laser 13 is strong at position A
  • the electric field of the repulsive trap light laser 14 is strong at position B. That is, the attractive force works at the position A, and the repulsive force works at the position B.
  • the slot waveguide 12 atoms gather at position A in the waveguide direction (Y direction).
  • the higher-order mode of the repulsive trap optical laser 14 acts as a repulsive force against the atom without being absorbed by the atom. Therefore, in the slot waveguide 12, an attractive force is generated at the position A and a repulsive force is generated at the position B, so that the atom is confined at the position A.
  • the electric field of the attractive trap light laser 13 is strong at position A. Since the higher-order mode of the repulsive trap optical laser 14 is not absorbed by the atom, it acts as a repulsive force with respect to the atom. As a result, in the horizontal plane, the atoms are confined in the slot waveguide 12 in the horizontal direction (X direction) at position A.
  • the atom is confined at the position A in the slot waveguide 12 by the electric field of the attractive trap light laser 13.
  • one laser (attractive trap light laser) is integrated in the photonic crystal device, and it is not necessary to arrange a plurality of large lasers outside, so that the entire atom capture device is used. Can be miniaturized. Further, since a fine and low power driven laser is used, it is possible to significantly reduce the power consumption (operating energy) of the atom capturing device and the entire system. Furthermore, by using a nanolaser with a small capacitance, it is possible to realize an atomic capture device that modulates the potential (opens the trap potential) at high speed.
  • the atomic capture device according to the second embodiment has a photonic crystal main body, a slot waveguide, and an attractive trap light laser, and has an operating principle, similarly to the atomic capture device according to the first embodiment. Is almost the same.
  • the atom trapping device according to the second embodiment is different from the first embodiment in that the repulsive trap light laser is integrated in the photonic crystal body (slab).
  • the atomic capture device 20 according to the second embodiment has a photonic crystal body 21 and a slot waveguide 22, and is an attractive trap optical laser centered on the slot waveguide 22 in the waveguide direction (Y direction).
  • the repulsive force trap light laser 24 and the repulsive force trap light laser 24 are arranged so as to face each other.
  • the attractive force trap light laser 23 and the repulsive force trap light laser 24 are integrated in the photonic crystal body 21 by using a transfer printing method, an atomic force microscope, a micromanipulator, or other nano-control technology.
  • the configuration of the photonic crystal body 21 is the same as that of the first embodiment.
  • the configuration of the slot waveguide 22 is the same as that of the first embodiment except that the slot waveguide 22 is not at the end of the photonic crystal body 21 but inside.
  • the attractive trap light laser 23 is also the same as in the first embodiment, and when the captured atom is rubidium, it oscillates (emits) at a wavelength longer than the absorption line of rubidium.
  • the repulsive force trap light laser 24 has the same function as the excitation laser in the first embodiment, and the external excitation light 27 oscillates (emits) a laser beam having a wavelength shorter than that of the rubidium absorption line. do.
  • the laser light acts as a repulsive trap light and excites the attractive trap light laser 23.
  • the attractive force trap light 25 by the attractive force trap light laser 23 and the repulsive force trap light 26 by the repulsive force trap light laser 24 are propagated to the slot waveguide 22 to guide the slot as in the first embodiment. Atoms can be captured in the waveguide 22.
  • the same effect as that of the first embodiment is obtained. Further, since both the attractive force trap light laser 23 and the repulsive force trap light laser 24 are integrated in the photonic crystal main body 21, further miniaturization and suppression of light loss are possible.
  • the atomic trapping device according to the third embodiment has substantially the same configuration and operating principle as the atomic trapping device according to the second embodiment.
  • the atom trapping device according to the third embodiment is different from the second embodiment in that the repulsive trap light laser integrated in the photonic crystal body (slab) is driven by current injection.
  • the atomic capture device 30 according to the third embodiment has a photonic crystal body 31 and a slot waveguide 32, and is an attractive trap optical laser centered on the slot waveguide 32 in the waveguide direction (Y direction). 33 and the repulsive force trap light laser 34 are arranged.
  • the repulsive trap light laser 34 is driven by current injection and includes an electrode 37.
  • the repulsive force trap light laser 34 oscillates (emits) the laser light 36 having a wavelength shorter than that of the rubidium absorption line by injecting a current.
  • the attractive trap light laser 33 is excited by the laser light 36, and oscillates (emits) a laser light 35 having a wavelength longer than that of the rubidium absorption line.
  • the same effect as that of the first and second embodiments is obtained. Further, since the repulsive force trap light laser 24 integrated in the photonic crystal main body 21 is driven by current injection, an external excitation laser is not required, and the entire device can be further miniaturized and power consumption can be reduced.
  • the atom trapping device according to the fourth embodiment is the same as the atom trapping device according to the second and third embodiments, the photonic crystal body, the slot waveguide, the attractive trap optical laser and the repulsive trap optical laser. And the operating principle is almost the same.
  • the atom capture device according to the fourth embodiment has a second point that both the attractive trap optical laser and the repulsive trap optical laser are driven by current injection, and the slot waveguide, the attractive trap optical laser, and the repulsive trap optical laser are arranged. It is different from the embodiment of 3.
  • the atom trapping device 40 according to the fourth embodiment includes a photonic crystal body 41, a slot waveguide 42, an attractive force trap light laser 43, and a repulsive force trap light laser 44.
  • the attractive trap light laser 43 and the repulsive trap light laser 44 are driven by current injection and include an electrode 47.
  • the attractive trap light laser 43 is driven by current injection and does not require the excitation light from the repulsive trap light laser 44, it is not necessary to make the arrangement of the attractive trap light laser 43 and the repulsive trap light laser 44 face each other.
  • the attractive trap light laser 43 oscillates (emits) the laser light 45 having a wavelength longer than the rubidium absorption line by injecting a current.
  • the repulsive force trap light laser 44 oscillates (emits) the laser light 46 having a wavelength shorter than that of the rubidium absorption line by injecting a current.
  • the same effect as that of the first to third embodiments is obtained. Further, since the attractive force trap light laser 43 and the repulsive force trap light laser 44 can be individually driven by current injection, the attractive force and the repulsive force potential can be controlled independently.
  • the attractive force trap light laser 43 and the repulsive force trap light laser 44 can be arranged with a high degree of freedom.
  • the attractive trap light laser and the repulsive trap light laser are oscillated (emitted) by injecting a current, but even if they are excited by different excitation lights and oscillated (emitted), they can operate as an atom capturing device.
  • At least one or more lasers are integrated in a chip (photonic crystal), and it is not necessary to arrange a plurality of large lasers on the outside.
  • the entire capture device can be miniaturized. Further, since a fine and low power driven laser is used, it is possible to significantly reduce the power consumption (operating energy) of the atom capturing device and the entire system. Furthermore, by using a nanolaser with a small capacitance, it is possible to realize an atomic capture device that modulates the potential (opens the trap potential) at high speed.
  • the slot waveguide is provided so as to be perpendicular to the end face of the photonic crystal body, but the present invention is not limited to this, and the slot waveguide is provided in an oblique direction with respect to the end face of the photonic crystal body. You may.
  • the lattice element of the photonic crystal body has a triangular lattice shape, it may be provided at an angle of 30 ° (or 150 °) with respect to the end face of the photonic crystal body.
  • the lattice element of the photonic crystal body has a cylindrical hollow structure and is periodically provided in a triangular lattice shape, but the present invention is not limited to this.
  • the shape may not be columnar but may be columnar, and a plurality of solids having substantially the same shape may be periodically arranged. Even if it is not a hollow structure, it may have a refractive index different from that of the base. It does not have to be a triangular grid, but may be a square grid. In addition, other dimensions may be used depending on the wavelength of the target light.
  • the present invention can be applied to the development of quantum information devices and platforms such as quantum computers, single photon sources, and quantum simulators as measuring devices using cold atoms.
  • Atomic capture device 101 Photonic crystal device 11
  • Photonic crystal body 111 Base 112

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Abstract

本発明の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、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、フォトニック結晶本体（１１）は、基部（１１１）と、基部に周期的に設けられた複数の格子要素（１１２）とを有し、スロット導波路（１２）が、周期格子列の間に配置され、フォトニック結晶本体（１１）の一の側面に開口部を有し、引力トラップ光レーザ（１３）が、開口部から入射する励起光よって励起され、原子の吸収端よりも長い波長で発振する。　これにより、本発明の原子捕捉装置（１０１）は、小型化でき低消費電力動作を提供できる。

Description

フォトニック結晶デバイスおよび原子捕捉装置
　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 (6)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
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