2020 Fiscal Year Annual Research Report

半導体フォトニック結晶における光の高次トポロジカル相の発現

Research Project

Project/Area Number	20J22862
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	山口拓人東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2020-04-24 – 2023-03-31
Keywords	トポロジカルフォトニクス / バレーフォトニック結晶 / 光導波路 / シリコンフォトニクス
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、光領域における新奇な高次トポロジカル状態の発現を目指しており、我々はそのベースとなるプラットフォームとして半導体スラブ構造を想定している。まず初年度は、同構造上で作製可能な2種類のトポロジカルフォトニック結晶導波路について、3次元数値計算を用いた比較検討を行った。我々は同一の三角孔ハニカム格子構造を起点として、通信波長帯での動作を想定して導波路構造2種（電子系における量子バレーホール効果、もしくは量子スピンホール効果のアナロジーに相当する系）の設計を行い、両導波路における光の透過率を比較した。その結果、バレーホール系の場合には途中急峻な導波路曲げが存在しても、バンドギャップ帯域すべてにわたって透過率はほぼ1を維持することが示された。一方、スピンホール系では面外散乱の割合が大きく、導波路曲げが存在した場合には構造の非対称性に起因して、曲がる方向によっても透過率が変動することが分かった。このように、同一の構造を起点として設計した導波路でありながら、両者は全く異なる導波特性を示すことを見出した。また、本研究では上記のようなトポロジカルフォトニック結晶導波路の実用化に向けて、シリコンフォトニクス技術を用いたバレーフォトニック結晶導波路構造の作製および実証も目指している。本構造では動作帯域を十分確保するために半導体スラブ中に三角孔を作製する必要があるが、光リソグラフィを用いて三角孔の角を精度良く再現するための作製技術はこれまで確立されていなかった。そこで本年度は、三角形の角部分で光近接効果を補正するためのフォトマスクパターンを新たに提案・設計し、そのフォトマスクを基に作製したパターンに対しSEMを用いて形状評価を行ったところ、高い再現度で三角孔が作製可能であることを見出した。次年度では、本手法を用いて作製した導波路デバイスの動作実証を目指す。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 初年度では、本研究のプラットフォームとなる半導体スラブ上におけるトポロジカルフォトニック結晶導波路に着目し研究を推進させた。2種類のトポロジカルフォトニック結晶導波路を比較する研究については、これまで音あるいはマイクロ波の領域にて同様の研究が行われていたが、光の帯域でこれを検証した報告はなかった。我々の成果としては、特に光領域ではライトライン問題が影響するため、バレーホール系は導波素子として、スピンホール系は光を入出力するためのプラットフォームとしてそれぞれ適していることを数値計算の結果から見出した。本研究成果はトポロジカルフォトニック結晶導波路を光回路として今後発展させていく上で重要な知見となることが期待される。光リソグラフィによるバレーフォトニック結晶導波路の作製に関しては、新型コロナウイルス感染症の拡大の影響を受けてシリコンウェハの供給時期が遅延する事態も途中生じたが、初年度内に予定していた三角孔の作製技術の開発についてはこれまで順調な結果が得られている。以上の通り、申請時の研究計画内容からはやや逸れる形ではあるが、その土台となる半導体スラブ型トポロジカルフォトニック結晶における導波素子について新たな知見を得ることに成功しているため、本研究は期待通りに進展していると評価する。
Strategy for Future Research Activity	次年度では、まず初年度中に得られた成果について、国際会議等を含めた対外的な場で発表を行うことを計画している。その上で初年度の延長として、光リソグラフィを用いて作製したバレーフォトニック結晶導波路の動作実証や、曲げ損失や伝播損失などの定量的な測定を通して、バレーフォトニック結晶導波路の光導波路としての有効性を示すことを目標とする。またこれまでの知見を活かして、初年度に検討した2種類のトポロジカルフォトニック結晶構造を接続させた光回路など、トポロジカルフォトニック結晶プラットフォームを利用した導波素子の高機能化や高次トポロジカル状態の実現可能性についても検討を進める。