2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of Acoustic Diode/Switch toward Realization of Phononic Information Processing
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17K19035
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
鶴田 健二 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (00304329)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石川 篤 岡山大学, 自然科学研究科, 助教 (90585994) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 音響ダイオード / フォノニック結晶 / 音響導波路 / 表面弾性波 / 圧電デバイス / 光学可視化法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（Ａ）ヘテロ周期構造による音響ダイオードの設計：これまで我々が設計した圧電体/樹脂の周期構造による１次元（２端子型）音響ダイオードは可聴域での透過損失が大きいという問題があった。昨年度に引き続き，ヘテロ構造の境界領域にインピーダンス整合をとるための遷移領域を設定したフォノニック構造の最適化，ならびに界面の幾何学形状を変えることによって，SモードからAモードへの変調を誘起する新たな構造を考案し，数値シミュレーションによる検証を行った。
（Ｂ）間接バンド間遷移に基づく非相反音響導波路：間接バンド間遷移を用いた導波路の数値設計と最適構造・材料の探索を行っている。昨年度に引き続き，この構造を可聴域～超音波領域にかけて実現する材料・構造の探索を行い，シリコーンを伝搬媒体にした場合の変調構造においてこれまでの単一変調構造から，サンドイッチ構造によって高次モードの誘起を高効率で行う，新しい変調方式の基本原理を考案した。
（Ｃ）圧電薄膜中のナノスケール・フォノニック結晶：これまで取り組んできた圧電薄膜中にナノスケール十字孔の周期構造におけるバンドギャップ制御モデルをさらに高精度化した。さらに今年度，近年注目を集めるトポロジカル音響体構造の設計に着手，薄膜中に３回対称性を持つフォノニック構造のバンド設計を数値的に行い，上下対称のトポロジカル構造の界面エッジ効果による高効率の表面弾性波導波路の設計と数値シミュレーションによる透過特性，ならびに非相反伝搬性（伝搬方向非対称性）の検証に成功した。
（Ｄ）超音波波面の光学的可視化技術構築：フレネル法に基づく超音波可視化システムを構築し，フォノニック構造中の音響波伝搬機構の実験的検証手法確立をほぼ達成した。本年度はこの手法による，シリコーン樹脂(PDMS)内に埋め込んだフォノニック導波路を伝搬する超音波波面の可視化に成功した。
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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
実施概要の（Ａ）1次元ヘテロ周期構造による音響ダイオードについては，インピーダンス整合法に加え，界面幾何構造の最適化という新しい視点の導入によって，課題となっている透過効率の向上に一定の目途が立ち，（Ｂ）間接バンド間遷移に基づく非相反音響導波路については，具体的な実験実証に繋がる新しいサンドイッチ型変調方法の考案，（Ｃ）圧電薄膜中のナノスケール・フォノニック結晶は，新たにトポロジカル音響構造による高効率の非相反性を実証，さらに（Ｄ）超音波波面の光学的可視化技術構築については当初計画通りに実現，新たに超音波領域での非相反性を実現する構造とその可視化実証に至っており，計画以上の成果といえる。最終となる次年度にこれらの新規音響伝搬原理の更なる進化と実験実証を目指す。
一方，“スイッチ”としての機能を実現する複合構造の設計にまで至っておらず，最終の次年度に向けて課題を残している。従って，全体としては「おおむね順調」と評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
（Ａ）ヘテロ周期構造による音響ダイオードの設計：初年度の２端子ダイオード構造の高効率化設計の一部継続に続き，２端子ダイオードの試作評価に重点を置く。加えて，当初計画通りに薄膜上の２次元周期配列（４端子型）の設計を実施し，最終年度までには，広帯域で高い透過率を示し，かつ順方向/逆方向の透過率比30dB 以上の音響ダイオード・スイッチ構造のプロトタイプ実現を目指す。
（Ｂ）間接バンド間遷移に基づく非相反音響導波路：本年度考案したサンドイッチ型変調方式による間接遷移型ダイオードの最適設計・材料探索の一部継続に続き，音波伝搬の相反性を実証するための導波路・変調構造の試作・評価を行う。
（Ｃ）圧電薄膜中のナノスケール・フォノニック結晶：初年度の十字孔周期構造を持つ薄膜上の弾性波伝搬特性の光学的評価（レーザードップラー法等）を行う。同様に手法により，今年度着手したトポロジカル音響構造の試作ならびに超音波領域での可視化検証を行う。
（Ｄ）超音波波面の光学的可視化技術構築： PDMSなどの透明固体中のフレネル法に基づく音波可視化手法継続に加え，光弾性法による表面弾性波の光学的可視化技術を確立し，（Ａ）のヘテロ構造や（Ｃ）表面弾性波音響ダイオードの新しい実証・計測技術の確立を目指す。
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