Waveguide devices for the physics and applications of non-Hermitian Photonic systems

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04927
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 角屋 豊 広島大学, 先進理工系科学研究科(先), 教授 (90263730)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 非エルミート / フォトニクス / 導波路 / テラヘルツ

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，連続準位中束縛状態（Bound states in the continue; BIC）と例外点（Exceptional point; ExP）が共存するグレーティング結合導波路において，代表者らが理論的に発見した①２モードの反交差点で非Γ点BICが生じ，そのブランチが偏光やグレーティング厚さによってスイッチすること，②ExPが発生するグレーティング厚さが存在すること，③グレーティング厚さ依存性がグレーティング内のスリットにおけるファブリペロー（FP）共振で理解できること，等を実証することである．本年度は，周波数領域として昨年決定したTHz領域での実験に向けた準備を行った．THz領域では単層グレーティングでの実現が容易でないため，これに変わる手法として昨年度考案した２層グレーティングを想定した．具体的には，導波路層，および２層グレーティングの層間膜材料として，種々の厚さのシートが市販されており，かつ損失も低いポリイミドを採用することとした．さらに調査の結果，住友金属鉱山㈱からCu膜が成膜されているポリイミド（エスパーフレックス）が市販されていることがわかり，試供品の提供を受けた．現在グレーティングパターン形成を試みている．本年度はまた，測定に向けて時間領域THz分光エリプソメトリを構築した．さらに，実験を想定した具体的な設計を行った．種々に検討した結果，昨年想定していたグレーティング層間膜厚さではなく，上下グレーティングをずらすことでBIC点を制御できることが明らかになった．この上下グレーティングをずらす手法は，昨年度着想を得た２層金属グレーティングの高効率カプラ―への応用展開の中で見出したものである．従って①と③（実質）は理論上は確認された． ②のExPの存在に関しては，実部が縮退する条件があることは確認できたが，虚数部の一致が確認できていない．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

前記のように，作製予定の素子で例外点条件の束縛解虚数部が確認できていないこと，および素子作製が完了していないことから「やや遅れている」と判断した．素子作製が完了していない理由は，当初はポリイミドではなくベンゾシクロブテン（BCB）膜をスピンコート法で成膜することを考え，そのための準備を行っていたためである．途中でポリイミド膜，特にCu成膜済みのポリイミド膜が入手できるとことが判明し，方針を変更した．しかし，結果的には成膜が不要となったので，素子作製は容易になると考えている．

Strategy for Future Research Activity

2023年度はまず早急に素子作製を進める． 前述の通り，Cu薄膜付ポリイミド膜（エスパーフレックス）のCu薄膜をエッチングによりグレーティング加工する．設計の結果，測定が容易な0.5THz付近にBICが現れる導波路層の厚さは235ミクロン程度と判明しており，これは市販のポリイミド膜とエスパーフレックスの積層で実現する．この上に再度グレーティング加工したエスパーフレックスを積層するが，完全には接着しないことにより，上下のグレーティングを任意にずらすことが可能と考えている．理論予測によれば，この方法でBIC点を動かすことができる．測定に関しては，最初は構築済みの時間領域THz分光エリプソメトリを用いるが，調整可能な可変角度範囲が狭いため，これとは別にファイバー結合したTHzエミッター，ディテクターを用いた角度可変分光系を構築する．また，これらと並行して，例外点と思われる条件での虚数部を束縛解計算により確認する．想定した素子構造（多層グレーティング構造）に対しては単純な結合モード法は適当でないため，現在の計算は散乱行列法を用いている．束縛解の収束が不安定となっているので，この点を修正する必要がある．一方，昨年度見出した，２層グレーティングの高効率カプラ―応用に関しては，理化学研究所で開発中の後進パラメトリックTHｚ発振器に応用することが決まり，実用に向けた再設計と実験の準備も進めてきた．本年度は理化学研究所と協力して，その原理実証を行う．

Causes of Carryover

年度の途中で,研究の推進方策に記したように，角度可変分光系を構築することを決定した．このためにファイバー結合したTHzディテクターを購入する必要が生じたが，この時点での残額では不足したため，次年度に繰り越して購入することとした．