High-functionality optical phased array by plasmonic antenna

• 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 2023)
• Budget Amount: ¥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: プラズモン / 導波路 / Nb2O5 / 光フェーズドアレイ / 電気光学ポリマー / 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）は光の干渉を利用することで高速なビーム走査が可能であり、LiDARや自由空間光通信、表示デバイス等への応用が期待されている。OPAの偏向角はアンテナ部分の導波路ピッチに依存し、ピッチが狭いほど広偏向角が得られる。しかし、導波路間のクロストークを抑えるようにピッチを設計する必要があり、極端に狭いピッチは現実的ではない。アンテナ部分の長さを500μm、結合長の10%を許容できるとすると、典型的な導波路構造であるポリマー導波路とシリコン導波路を用いた場合の最大偏向角はそれぞれ20度と76度であった。本研究では、広偏向角のために光閉じ込めの強いプラズモン導波路を検討した。プラズモン導波路は、100nm程度の金属ギャップに光を閉じ込めることができるため、導波路間のクロストークの影響が少ない。プラズモン導波路を用いた場合、導波路ピッチ800nmが実現でき、偏向角156度が得られることが示唆された。
本研究では、広偏向角のためにプラズモン導波路を用い、高速・低消費電力駆動のために、電気光学ポリマー変調器を用いる構造を提案した。電気光学ポリマー変調器を評価のために、Mach-Zehnder干渉計を作製し、電圧を印加して変調動作を達成した。この構造はTM偏光が必要である一方で、アンテナ部分の横方向ギャップ型プラズモン導波路はTE偏光が必要である。偏光回転およびモード変換のために、無機材料であるNb2O5を用いた構造を設計した。1stコアがNb2O5、2ndコアが電気光学ポリマー導波路、クラッドがSiO2とするダブルコア導波路構造の偏光回転素子を設計した。数値解析を行い、サイズパラメータを最適化することで、長さ143μmで偏光回転できることを示した。また、Nb2O5導波路とプラズモン導波路の結合器を有限要素法で設計し、結合損失2.78dBの低損失な結合器が得られた。

Research Products

• [Presentation] 高速/広偏向な光フェーズドアレイのための五酸化二オブ導波路とプラズモニック導波路の結合構造提案 (2023)
  • Author(s): 塚本 真彩, 鎌田 隼, 原口 雅宜, 岡本 敏弘, 山口 堅三
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Coupling structures between Nb2O5 and plasmonic waveguide for high-speed and wide-steering angle optical phased array (2023)
  • Author(s): Maaya Tsukamoto, Shun Kamada, Masanobu Haraguchi, Toshihiro Okamoto, Kenzo Yamaguchi
  • Organizer: SPIE OPTICS+PHOTONICS 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical phased array with high speed and wide steering angle using organic EO polymer and inorganic waveguide structure (2023)
  • Author(s): Shun Kamada, Maaya Tsukamoto, Toshihiro Okamoto, Masanobu Haraguchi, Akira Otomo
  • Organizer: SPIE OPTICS+PHOTONICS 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasmonic Coupling Structure with Niobium Pentoxide waveguide for High-Speed and Wide-Steering Optical Phased Array (2023)
  • Author(s): Maaya Tsukamoto, Shun Kamada, Toshihiro Okamoto, Kenzo Yamaguchi, Masanobu Haraguchi
  • Organizer: The 12th Asia-Pacific Laser Symposium (APLS 2023)
  • Int'l Joint Research