局在表面プラズモンを介した光周波数信号伝達デバイスの作製

• Project/Area Number: 13J05342
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Toyohashi University of Technology
• Principal Investigator: 福原 誠史 豊橋技術科学大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2015: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2014: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 表面プラズモン / 光電子集積回路 / 光インターコネクト / 光・電子融合素子 / 光回路 / 有限差分時間領域法

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的となる表面プラズモンを扱う光電子集積回路の開発に向け、以下の要素技術の確立を行った。
１．表面プラズモン導波路解析手法の習得
前年度まで、導波路の設計には、解析領域の全域をセル化し、各セルごとの電磁界を計算する有限差分時間領域法(以下、FDTD法)を用いていた。しかし、微細構造や、表面プラズモン励起部、検出部を含む大領域の解析が進むにつれ、その依存性の取得が困難となる。そこで、導波路の特性方程式を展開する転移行列法による解法を設計に応用した。結果、表面プラズモン導波路を代表する薄膜導波路、金属-誘電体-金属(MIM)導波路、IMI導波路といった様々な構造で、FDTD法と同様の伝搬特性(実効屈折率、伝搬損失)を短時間で導出できることが確認された。本成果は、後述する誘電体表面プラズモン導波路への設計にも用いられ結果を出しており、全般的な表面プラズモン導波路の解析を容易にした。
２．誘電体表面プラズモン導波路の電気バイアス・光信号同時伝達可能性の提示
金属上に誘電体を付与する事で作製される誘電体表面プラズモン導波路(以下、DLSP導波路)を、既存の電子集積回路の作製プロセスであるCMOS互換プロセスを用いて作製した。DLSP導波路は、前年度まで研究を進めていた薄膜導波路では困難であった任意の導波路パターニングを可能とする。また、作製した導波路に表面プラズモンを伝搬させると同時に、金属部へ電気バイアスを印可し、表面プラズモンがレーザ光の特性(コヒーレント性)を持ちつつ伝搬可能であるか検証した。結果、DLSP導波路が、表面プラズモンの伝搬と電気バイアスの印可を可能とすることが実証された。光信号(表面プラズモン)と電気バイアスの同時伝送線路は、伝搬光を伝える誘電体導波路では実現が困難と考えられるため、本成果は表面プラズモンの特性を活かした新規伝送線路への展開が期待される。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Plasmonic-multimode-interference-based logic circuit with simple phase adjustment (2016)
  • Author(s): Masashi Ota, Asahi Sumimura, Masashi Fukuhara, Yuya Ishii and Mitsuo Fukuda
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1038/srep24546
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Dielectric-loaded surface plasmon polariton crossing waveguides using multimode interference (2015)
  • Author(s): Masashi Ota, Masashi Fukuhara, Asahi Sumimura, Motoki Ito, Takuma Aihara, Yuya Ishii and Mitsuo Fukuda
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 40 Issue: 10 Pages: 2269-2272
  • DOI: 10.1364/ol.40.002269
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Coherent Plasmonic Interconnection in Silicon-based Electrical Circuit (2015)
  • Author(s): Takuma Aihara, Hiroki Sakai, Ayumi Takeda, Shinya Okahisa, Masashi Fukuhara, Masashi Ota, Yuya Ishii, Mitsuo Fukuda
  • Journal Title: IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology Volume: 未定 Issue: 10 Pages: 2139-2144
  • DOI: 10.1109/jlt.2015.2395537
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Surface-Plasmon Waveguides as Transmission Lines for Optical Signal and Electrical Bias (2014)
  • Author(s): Masashi Fukuhara, Masashi Ota, Ayumi Takeda, Takuma Aihara, Hiroki Sakai, Yuya Ishii, Mitsuo Fukuda
  • Journal Title: IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology Volume: 32 Issue: 23 Pages: 4490-4495
  • DOI: 10.1109/jlt.2014.2357801
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Schottky-type surface plasmon detector with nano-slit grating using enhanced resonant optical transmission (2014)
  • Author(s): Ayumi Takeda, Takuma Aihara, Masashi Fukuhara, Yuya Ishii, Mitsuo Fukuda
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 116 Issue: 8 Pages: 084313-084313
  • DOI: 10.1063/1.4894150
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Low-loss waveguiding and detecting structure for surface plasmon polaritons (2014)
  • Author(s): Masashi Fukuhara, Masashi Ota, Hiroki Sakai, Takuma Aihara, Yuya Ishii, and Mitsuo Fukuda
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 104 Issue: 8 Pages: 81111-81111
  • DOI: 10.1063/1.4866792
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Monolithic Integration of Surface Plasmon Detector and Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (2013)
  • Author(s): Takuma Aihara, Masashi Fukuhara, Ayumi Takeda, Byounghyun Lim, Masato Futagawa, Yuya Ishii, Kazuaki Sawada, and Mitsuo Fukuda
  • Journal Title: IEEE Photonics Journal Volume: 5 Issue: 4 Pages: 6800609-6800609
  • DOI: 10.1109/jphot.2013.2272779
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metal-oxide-semiconductor field-effect transistors operated by surface plasmon polaritons (2013)
  • Author(s): T. Aihara, A. Takeda, M. Fukuhara. Y. Ishii. and M. Fukuda
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8923 Pages: 89234F-89234F
  • DOI: 10.1117/12.2033618
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sensitivity improvement of Schottky-type plasmonic detector (2013)
  • Author(s): A. Takeda, T. Aihara, M. Fukuhare. Y. Ishii. and M. Fukuda
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8923 Pages: 89234G-89234G
  • DOI: 10.1117/12.2033619
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 表面プラズモン導波路における光信号 - 電気バイアス同時 伝達可能性の検討 (2015)
  • Author(s): 福原 誠史， 武田 愛弓， 相原 卓磨， 石井 佑弥， 福田 光男
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場、名古屋市、愛知県
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Optical Signal Transmission on Metal Plasmonic Waveguide with Electrical Bias Current (2015)
  • Author(s): Masashi Fukuhara, Ayumi Takeda, Takuma Aihara, Yuya Ishii and Mitsuo Fukuda
  • Organizer: 15th international conference on nanotechnology
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 2015-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多モード干渉を利用した表面プラズモンポラリトン交差導波路 (2015)
  • Author(s): 太田 雅，福原 誠史，住村 あさひ，伊藤 基，相原 卓磨，石井 佑弥，福田 光男
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学湘南キャンパス，平塚市, 神奈川県
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] 表面プラズモン導波路の電気的分離と光信号伝達の検討 (2014)
  • Author(s): 福原 誠史，太田 雅，相原 卓磨，酒井 宏基，木村 優，武田愛弓，石井 佑弥，福田 光男
  • Organizer: 電子情報通信学会（ソサイエティ大会）
  • Place of Presentation: 徳島大学，徳島市，徳島県
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-26
• [Presentation] Surface plasmon polariton diffraction structure to combine a low-loss waveguide and a Schottky-type detector (2014)
  • Author(s): M. Ota, M. Fukuhara, H. Sakai, Y. Kimura, T. Aihara, Y. Ishii, M. Fukuda
  • Organizer: 13th Internationa conference of Near-Field Optics
  • Place of Presentation: Salt Lake, USA
  • Year and Date: 2014-08-31 – 2014-09-04
• [Presentation] Optical Signal Transmission through Plasmonic Waveguide under Applied Electrical Bias (2014)
  • Author(s): M. Fukuhara, T. Aihara, M. Ota, H. Sakai, Y. Kimura, Y. Ishii, M. Fukuda
  • Organizer: 2014 International Conference on Optical MEMS and Nanophotonics
  • Place of Presentation: Glasgow, Scotland
  • Year and Date: 2014-08-17 – 2014-08-21
• [Presentation] 表面プラズモン検出器-MOSFET集積回路における静的および動的特性 (2014)
  • Author(s): 相原 卓磨, 武田 愛弓, 福原 誠史, 石井 佑弥, 福田 光男
  • Organizer: 電子情報通信学会
  • Place of Presentation: 同志社大学烏丸キャンパス
  • Year and Date: 2014-01-23
• [Presentation] 表面プラズモン検出器とMOSFETのモノリシック集積化 (2013)
  • Author(s): 相原 卓磨, 武田 愛弓, 福原 誠史, 石井 佑弥, 福田 光男
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学京田辺キャンパス
  • Year and Date: 2013-09-19
• [Remarks] フォトニクス研究グループ
  • URL: http://photon.ee.tut.ac.jp/index.html
• [Remarks] フォトニクス研究グループ 豊橋技術科学大学
  • URL: http://www.photon.ee.tut.ac.jp
• [Remarks] 福田研究室webページ
  • URL: http://www.photon.eee.tut.ac.jp/result/result.html