メアンダ型電熱回折格子付SOI光導波路構造を有する熱光学空間変調器の開発
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22K04241
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
佐藤 弘明 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (00380113)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
猪川 洋 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (50393757)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 熱光学空間変調器 / SOI光導波路 / メアンダ型電熱線回折格子 / 光フィルタ / メアンダ型電熱回折格子 / 熱光学変調 / 回折格子 / 電熱線 / 集積回路 |
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| Outline of Research at the Start |
液晶分子を利用する既存の空間変調方式に対して、温度によって材料の屈折率が変化する熱光学効果を利用した空間変調器を検討する。研究代表者らが独自に研究してきた電熱線金属回折格子付SOI（silicon-on-insulator）光導波路の構造を空間的に配列し、所望の映像やビーム形状を出力できるような熱光学空間変調器を開発する。一般的な液晶ディスプレイと比較すると、25 倍の高速化が見込める。SOI集積回路技術が適用できるので、電熱線の駆動回路も含めた熱光学空間変調器の設計や作製が容易である。計画通りに進捗すれば、シリコンベースの新しい半導体デバイスを創出できる重要な研究課題と考える。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の熱光学空間変調器は、メアンダ型電熱線回折格子付SOI (silicon-on-insulator) 光導波路が基本素子となる。今年度はこのメアンダ型電熱線回折格子付SOI光導波路を試作し、特に低温側のSOI層内の光吸収特性について測定した。
まず、150 nm 幅のアルミニウム細線で構成したメアンダ型回折格子を電子線リソグラフィー技術を用いて作製し、高い成功率で作製されていることと、回折格子に電圧・電流の印加できることを確認した。
次にデバイスを実測した。デバイスが低温になると材料の屈折率が減少するため、光吸収特性も変調される。光吸収特性は、SOI層内にpn接合フォトダイオードを形成し、波長を掃引した単色光を照射して際のフォトダイオードの光電流を測定して評価した。光電流から外部量子効率を求め、フォトダイオードの分光感度特性として評価した。その結果、デバイス温度が下がると分光感度特性で現れる光吸収のピークが短波長側に移動する特性を得た。この特性は昨年度から整理してきた電磁界シミュレーションによる予測とよく合致した。
さらに、フォトダイオードのデバイス幅依存性を評価し、1 um ～ 50 um の間においてはデバイスが低温になると主要な光吸収のピークが短波長側に移動する共通の特性が得られ、デバイス寸法に対して設計の自由度が存在することが示された。なお、ピークの数がデバイス幅に依存していた。これはデバイス幅方向の光閉じ込め効果によるものであることが理論計算によって明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初は電熱線回折格子に適切な電流を印加し、デバイスが高温となった際の特性を評価することを計画していた。ところがデバイスに必要不可欠な空洞構造が適切に作製されず、デバイスごと破壊してしまった。この空洞構造は、デバイス温度を上昇させる際の熱散逸を防ぐために必須となっている。
問題は誘導結合型プラズマによる反応性イオンエッチング（ICP-RIE）の条件出しであり、次年度の解決を急ぐ。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)空洞構造を作製する条件出し：誘導結合型プラズマの反応性イオンエッチング（ICP-RIE）を利用した空洞構造の作製について、適切な条件を早急に決める。
(2)動作速度の評価：矩形状パルス波形の電流を印加し、透過光または反射光の変調効果を測定する。周波数特性を分析し、動作可能な速度を明らかにする。想定しているデバイス寸法と材料の熱的定数によって予測した動作周波数は1.5 kHz である。目標達成度を明らかにするとともに、課題抽出やさらなる高速化への検討を行う。また、最初はデバイス面積を50 × 50μm^2 と設定して検討する。おそらくはデバイス面積と動作速度はトレードオフの関係にあるので、動作周波数の目標を1 kHz 以上と設定し、デバイス面積をどこまで縮小化できるかについて整理する。その上で、本研究の空間変調器としての解像度を明示する。
(3)動作可能な波長範囲：本デバイスは回折格子のピッチを変えることにより、導波モード共鳴が起こる波長を自由に選択できる。例えば三原色の熱光学空間変調器を実現するためのデバイス設計方法を検討し、実際に作製して性能を明示する。
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Report
(2 results)
Research Products
(18 results)
