High-functionality optical phased array by plasmonic antenna

Research Project

Project/Area Number	21K14221
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
Research Institution	National Institute of Information and Communications Technology
Principal Investigator	鎌田隼国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 研究員 (90850751)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000) Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords	光フェーズドアレイ / プラズモン / 導波路 / 変調器 / EOポリマー / 光導波路 / プラズモニクス
Outline of Research at the Start	光フェーズドアレイは、ミラーやレンズなどの物理的駆動部なしで光を走査できるため高速性に優れている一方、偏向角が狭いという問題点がある。光フェーズドアレイは、アンテナピッチが狭いほど偏向角を広くすることができるため、本研究では、光を微小領域に閉じ込めることができるプラズモニック導波路に着目した。プラズモニック導波路は、従来のシリコン導波路などよりもアンテナピッチを狭くでき、偏向角をこれまでの数十度程度から、90度以上にすることが可能である。本研究では、微細加工プロセスを用いて、偏向角が90度以上の光フェーズドアレイの開発を目的とする。
Outline of Annual Research Achievements	光フェーズドアレイ（OPA）は、機械的な駆動部がなく高速にビーム整形/走査できる素子であり、LiDARなどの光投影部への応用が期待されている。OPAのビーム偏向角は出射部のアンテナピッチに依存し、クロストークの影響を避けるためには極端に狭いピッチは現実的ではない。そこで、クロストークの影響が小さいプラズモン導波路に着目した。金属の吸収損失の大きいプラズモン導波路は、低損失かつ高屈折率な無機材料とのハイブリッド化が有効である。当該年度は、①高屈折率な無機材料である五酸化ニオブ（Nb2O5）導波路の設計および、②プラズモンカプラの検討を行った。 ①本研究では高屈折率無機材料として、Nb2O5を採用した。スパッタで成膜したNb2O5の波長1550nmにおける屈折率は2.19であり、比較的高い屈折率を持っていることが分かった。Nb2O5と電気光学（EO）ポリマーを組み合わせたモードコンバーターの設計を行った。OPAの位相変調器は、EOポリマー導波路の上下に配置した電極により電界印加するため、伝搬光はTM偏光である。一方で、横型プラズモン導波路の伝搬光はTE偏光が必要である。そこで、Nb2O5を1stコア、EOポリマーを2ndコア、SiO2をクラッドとする偏光回転素子を設計した。数値解析により各導波路サイズを最適化することで、長さ143μmでTM偏光からTE偏光に変換できることを明らかにした。 ②Nb2O5導波路からプラズモン導波路に光入射するためのプラズモンカプラの検討を行い、数値解析によってサイズパラメータの最適化を行った。Nb2O5導波路と金属のギャップや、テーパー長さの違いによるモード変換への影響を検討し、最適な構造パラメータを決定した。その結果、結合損失3.5dBでモード変換できることを明らかにした。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初、電気光学ポリマー導波路/高屈折率材料導波路の偏向制御素子、モードコンバーターの設計を行うことを計画していた。令和4年度は、高屈折率材料導波路を五酸化ニオブとし、偏光回転素子を設計した。また、アンテナ部分のプラズモンカプラの設計検討を行い、当初の計画通りに進捗している。令和4年度中に、デバイスの作製/評価にも着手できているため、おおむね順調に進展している。
Strategy for Future Research Activity	これまでに位相変調器、モードコンパーター、アンテナの各素子の設計に着手している。今後は、各素子の集積化に向けたプロセス開発に着手する。また、プラズモンアンテナの作製を行い、光出射の計測を行い、OPA実現の可能性を探る。