2017 Fiscal Year Annual Research Report
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16J01191
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
太田 雅 豊橋技術科学大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 表面プラズモン / 平面光回路 / ギャッププラズモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度の研究実施計画は、非線形屈折率効果を表面プラズモンを用いて増強することで、複数の入力信号の位相同期を必要としない論理演算素子を開発し、平成28年度に開発した素子と組み合わせた実用的な論理回路の設計を進めることである。その第一段階として、オンチップポンピング構造の開発に向けた表面プラズモンの高効率励起構造の開発を行った。
表面プラズモン高効率励起構造の開発について、石英基板に製膜したAu膜上に形成したSiおよびSiO2から成る、光・表面プラズモンハイブリッドストライプ導波路上の回折格子を設計し、表面プラズモンが高効率で励起できることを解析および実験的に確認した。提案する励起用回折格子の構造パラメータについて、ハイブリッド導波路内を伝播する表面プラズモンの実効屈折率を算出し、フォトニックモードとプラズモニックモード間のビート長を考慮することで、導波路および回折格子を設計した．設計で用いた光源波長は1550 nmとした．さらに，時間領域差分法による電磁界解析を用いて励起および散乱表面プラズモン強度を解析的に評価した。Si層をSiO2層で挟み込む形状のハイブリッドプストライプ導波路について、導波路厚さをプラズモニックモードとフォトニックモードが混在する2モード領域に設定することで、2モード干渉によってSi層にSPP強度が集中し、励起および散乱表面プラズモン強度が約4倍までに増大することを解析的に確認した。走査型近接場光顕微鏡を用いて表面プラズモン強度分布を測定し、励起効率の見積もりを行った。スポット径が約5000 nmの入射励起光条件において，52 %のSPP励起効率を実験的に確認した。また、単一モード導波路上の貫通スリットを用いた回折格子と比較して14倍の散乱表面プラズモン強度を確認し、ハイブリッドストライプ導波路を利用することによる励起効率の向上可能性を実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度の研究実施計画は、表面プラズモンの高電界を用いてシリコンの非線形屈折率効果を増強することにより、複数の入力信号の位相同期を必要としない論理演算素子を開発し、平成28年度に開発した素子と組み合わせたプラズモニック論理回路の可能性を示すことである。本計画は、CMOS互換プロセスを基本においており、材料はシリコン、シリコン酸化膜および金属に限定した非常に難しい研究テーマに挑戦するものである。年度前半はかなり苦労していたが、年度後半では多段接続可能な非線形光学効果を用いた論理演算回路の基本ユニットを設計し、作製方法についても検討を終了することができた。現在では、ギャッププラズモンモードを利用することで、多段接続可能な論理演算回路の設計および予備実験を行なえるまでになっている。これらの研究を通して、物理的事象に基づいた設計および解析をすることができており、得られた結果の冷静な分析などが着実に実行されていた。
また、学生の研究指導にも熱心に取り組み、博士前期課程の指導学生が国際会議（European Material Research Societyの秋期会議）で最優秀発表賞を受賞するまでに至った。
これらを勘案して上記評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度までは、Au膜上に形成したSiO2ストライプ導波路を伝播する表面プラズモンを信号キャリアとした論理演算回路の開発を行っていた。しかし、SiO2ストライプ導波路を伝播する表面プラズモンに対して電場増強効果を用いた屈折率変調の影響を与えることは、導波領域と変調領域の実効屈折率のミスマッチのため、困難であることを計算によって確認した。平成30年度は、表面プラズモン導波路を金属／誘電体／金属から成るギャッププラズモン導波路に置き換え、屈折率のミスマッチを低減した論理演算回路の開発を行う。現在は、ギャッププラズモン導波路を用いた非線形光学効果ベースの論理演算回路の開発を行っており、素子設計および予備実験を実施している。
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