半空中を伝搬する微小光共振モードによる超高感度フォトニックマイクロセンサ

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 23K04610
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 光野 徹也 静岡大学, 工学部, 准教授 (20612089)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Keywords: 微小光共振器 / 微小光センサ / ワイドギャップ半導体

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題は、単一の円形・六角形マイクロディスク等微細構造の微小光共振モードであるウィスパリングギャラリーモード(WGM)に類似しているが、共振光の多くが空中に分布する特異な微小光共振モードを実現し、これを超高感度フォトニックマイクロセンサへと応用するための基盤技術開拓を目的としている。この特異な微小光共振モードの特徴は、共振光の多くが微細構造外に分布することによって、微細構造の周囲物質と共振光が相互作用しやすいことが見込まれるところにある。これによって、共振光をプローブとして微細構造周囲物質を超高感度にセンシングできると期待できる。
特異微小光共振モードを実現し得る微細構造として、ナノプレートを円環状に配列したナノプレート円環状アレイを本研究では提案している。優れた光学利得と高い屈折率を有する窒化物半導体(GaN等)や金属酸化物半導体(ZnO等)の半導体結晶から微細加工等によりナノプレート円環状アレイを作製し、光励起下レーザー発振を当該構造に発現する特異微小光共振モードによって実証することが現段階における主要な目標である。そこで、ナノプレート円環状アレイの作製技術開拓と当該構造パラメータの特異微小光共振モードへの影響を明らかにすることからアプローチしている。前者については、ガス雰囲気熱エッチングや低濃度の酸を用いたウェットエッチング等の適用可能性について検討し、後者については有限差分時間領域法を駆使してその構造パラメータと微小光共振モードの波長や光閉じ込めの度合い等を詳細な検討を進めている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、ナノプレートを円環状に配列したナノプレート円環状アレイを作製するための微細加工手法の主たるアプローチとして、ガス雰囲気熱エッチングや低濃度の酸を用いたウェットエッチング等の適用可能性について検討を進めた。ナノプレート円環状アレイをGaN結晶から作製する手法としては水素を用いた熱エッチングが適当であり、ZnO結晶から作製するには3~5%の過酸化水素水やクエン酸を用いたウェットエッチングが有用であると考えられた。また、有限差分時間領域法を用いたナノプレート円環状アレイの構造パラメータと微小光共振モードとの検討では、個々のナノプレート円環状アレイの大きさと形状の概ねの数値範囲を絞り込んだ。

Strategy for Future Research Activity

有限差分時間領域法を用いたナノプレート円環状アレイの構造パラメータと特異微小光共振モードとの検討結果により、ナノプレート円環状アレイの構造の作製を進め特異微小光共振モードによる光励起下レーザー発振を得ることを目指す。