2020 Fiscal Year Annual Research Report
ナノサイズの金属キラル構造による単層の光アイソレータ
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20J23133
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
古澤 岳 電気通信大学, 情報理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | キラルメタマテリアル / 光学フィルタ / マイクロナノ加工 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、金属ナノキラル構造が持つ可視光領域の強い円二色性を応用し、片側円偏光吸収による薄型・単層の光アイソレータの実現を目標に取り組んでいる。
目標は、動作理論の構築から実デバイスによる原理実証までである。動作理論構築は、有限要素計算の電磁場解析で、金属ナノキラル構造の形状と光学特性の関係を究明する。実デバイス製作は、一般的なマイクロナノ加工で用いられるリフトオフ等を用いて行う。片側円偏光吸収特性の実測評価は、左右円偏光それぞれの吸収率、透過率、反射率を計測する。また、ミラーの反射光に対して、反射防止効果を計測する。
2020年度では動作原理の構築としてシミュレーション調査を計画していた。2020年度のシミュレーション調査より、金属ナノキラル構造の動作への理解が深まった。その結果、当初想定していたよりも製作が格段に容易なデバイスのデザインにすることができた。これは、最終目標に実デバイスによる評価を計画している本研究において重要な進展である。
2020年度の計画では、動作原理の構築と並行して実デバイスの製作も含まれていた。可視光で動作するデバイスの製作には、非常に難易度の高い立体的なナノスケールの加工が必要である。そこで、可視光領域と同じ動作原理である、赤外で動作する光アイソレータとして、マイクロスケールのデバイスを製作することで、技術の蓄積を図った。デバイス製作には構造の多層化が必要で、位置合わせのパターニングや、下の層の埋め込みによる平坦化、エッチングによる埋め込み材の膜厚調整、金属蒸着時の膜厚調整など、ノウハウが必要な工程の技術蓄積に取り組んだ。その結果、シングルミクロンスケールで2層の金の構造が重なったキラル構造の製作を達成した。
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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
この研究は、可視光における単層の光アイソレータの実現を最終目標としている。
2020年度の計画では、可視で動作するナノサイズの構造を持つ光アイソレータに比べて製作難度が低い赤外で動作するマイクロサイズの構造を持つ光アイソレータの製作に取り組む予定だった。
キラル構造についてシミュレーションによる解析が進み、構造パラメータと光応答の関連の理解が深まった。その結果、デバイス製作が従来よりも非常に容易である設計が可能になった。製作難度が下がったことでデバイス製作のスループットが上がった。そのため、今年度の前半ではコロナウイルスの影響で実験を進めることが出来なかったが、実験が出来るようになった2020年度の後半で、予定していた分の研究の進捗を生み出すことが出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、可視光で単層の光アイソレータを達成するために必要な、片側円偏光吸収の動作理論構築に取り組む。2020年度に、従来の設計よりも製作難度が非常に低いキラル構造の設計を達成した。2021年度では、この新規設計の金属キラル構造の動作理論の構築に取り組む。
動作理論の構築と並行して、可視光領域で片側円偏光吸収を示すナノスケールの金属キラル構造の製作方法確立に取り組む。可視光で動作する光アイソレータの実現には、金属キラル構造をナノスケールで製作する必要があり、製作の難易度が高い。そこで、2021年度では、ナノスケールのパターニングの条件出しから行い、デバイス製作技術の成熟を図る。
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