2016 Fiscal Year Research-status Report

有機色素ナノファイバーによる新規ナノフォトニクス技術の開発

Research Project

Project/Area Number	15K04705
Research Institution	National Institute for Materials Science
Principal Investigator	高澤健国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (10354317)
Project Period (FY)	2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords	ナノフォトニクス / 励起子ポラリトン / ナノファイバー / 有機色素 / 光物性 / 有機結晶 / 光集積回路 / 顕微分光
Outline of Annual Research Achievements	我々は近年、有機色素チアシアニンを自己組織化させて合成したナノファイバーが光励起で生じた励起子ポラリトンを室温で安定に伝搬する現象を発見した。本研究の目的は、この発見を基にして、既存技術を超えるナノフォトニクス技術を実現することである。具体的には、ポラリトンの分散曲線を冷却で変調することにより、伝搬光波長の1/10以下の幅（約50nm）の極細ナノファイバーを用いてミリメートルに亘るポラリトン伝搬を可能にする。また、ポラリトンをナノの曲率半径で曲げたファイバー中を伝搬させ、ナノスケールでの光操作を実現する。 27年度の研究で、どれほど細いナノファイバーでポラリトン伝搬が生じるかを系統時に調べ、液体窒素温度（83 K）では、幅100 nmを切るナノファイバーでも高効率なポラリトン伝搬が生じることを明らかにした。28年度は上記の成果を発展させ、幅100nm程度のナノファイバーをガラス基板上に分散させ、マイクロマニピュレータに装着したガラス針で操作して、極微小のリング共振器やマッハ・ツェンダー干渉計の製作を試みた。これまで行ってきたミクロンスケールの素子作製では問題にならなかった、針先端の微小な振動が障害となり、素子サイズの目標は達成できなかった。しかし、除振対策を行うことで目標が十分達成できる目途が立った。さらに、ナノファイバーの現実的なデバイス応用の可能性を探るため、ラマン散乱を利用してナノファイバーに近赤外光（通信帯波長）をカップリングし、その伝搬特性を調べる実験を室温で行った。その結果、波長1ミクロン領域の光に対しても、ナノファイバーが高い伝搬効率を示すことを明らかにした。また、当初目的になかったが27年度に発見した、ナノファイバーが示す低温領域での動的挙動について詳しく調べ、ナノファイバーに固有の相転移や力学特性について多くの知見を得た。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初計画では、28年度の主な研究目的は、極細ナノファイバーによる極微小光学素子の製作と性能評価であった。幅100nm程度のナノファイバーをガラス基板上に分散させ、マイクロマニピュレータに装着したガラス針で操作して、極微小のリング共振器やマッハ・ツェンダー干渉計の製作を試みた。これまで行ってきたマイクロメータースケールの素子作製では問題にならなかった、針先端の微小な振動が障害となり、素子サイズの目標は達成できなかった。しかし、除振対策を行うことで目標が十分達成できる目途が立った。従って、本研究はおおむね順調に進捗している。一方、当初予期していないなかった、以下の成果を得た。１）ナノファイバー素子の現実的なデバイス応用の可能性を探るため、ラマン散乱を利用することでナノファイバーに近赤外光（通信帯波長）をカップリングし、その伝搬特性を調べる実験を室温で行った。その結果、波長1ミクロン領域の光に対しても、ナノファイバーが高い伝搬効率を示すことを明らかにした。２）27年度に発見した、ナノファイバーが示す低温領域での動的挙動について詳しく調べ、ナノファイバーに固有の相転移や力学特性について多くの知見を得た。
Strategy for Future Research Activity	28年度の研究はおおむね順調に進んだため、29年度も当初計画通りに進めていく。具体的にはナノファイバーも用いた、ナノサイズ光回路素子の作製を行う。ガラス基板上の幅数十nmのナノファイバーをマイクロマニピュレータにより直接操作して、ナノスケールのナノサイズのマッハ・ツェンダー干渉計、リング共振器、チャンネルドロップフィルターなどの光回路素子を作製する。作製した素子を液体窒素温度まで冷却し、顕微分光法により機能を評価する。28年度の研究で問題となった、マイクロマニピュレータに装着したガラス針先端の微小な振動を抑制する除振対策を徹底して行うことで、上記の目標が達成可能である。また、当初目的になかった発見についても引き続き研究を進めて行く。
Causes of Carryover	当該年度に購入を予定してた光学フィルターの内、いくつかが現有の物で代用できることが分ったため、予算を節約することができた。
Expenditure Plan for Carryover Budget	当該年度の研究で、装置の更なる除振対策が必要であることが明らかなった。空気ばね式除振装置等の購入に使用する。