Nonlinear topological nanophotonics based on semiconductor photonic crystals

• Project/Area Number: 22H00298
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岩本 敏 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40359667)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 太田 泰友 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (90624528)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2025)
• Budget Amount: ¥41,860,000 (Direct Cost: ¥32,200,000、Indirect Cost: ¥9,660,000); Fiscal Year 2025: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2024: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2023: ¥12,740,000 (Direct Cost: ¥9,800,000、Indirect Cost: ¥2,940,000); Fiscal Year 2022: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000)
• Keywords: フォトニック結晶 / 非線形光学 / トポロジー / トポロジカルフォトニクス

Outline of Research at the Start

トポロジカルナノフォトニクスを線形光学の枠を超えて非線形光学領域へと展開する。具体的には、半導体バレーフォトニック結晶で実現されるトポロジカルスローライト導波路の低分散化を図り高効率な四光波混合を誘起することにより、構造揺らぎなどがあっても高い効率を示すパラメトリック増幅や高い量子相関を示す量子もつれ光子対生成の実現を目指す。さらに、バレーフォトニック結晶を積層することで発現する新たな光局在状態とそれを用いた高調波発生を実現する。これらの研究をとおして、新奇オンチップ非線形光学デバイスの可能性を探求し、“非線形トポロジカルナノフォトニクス”という新分野の開拓に挑む。

Outline of Annual Research Achievements

バレーフォトニック結晶を用いたスローライト導波路について、構造変調による分散制御の可能性を数値的に検討した。その結果、界面周辺の円孔サイズと位置を制御することで、効率的な非線形光学効果の実現に必要な低群速度分散特性を実現できる可能性が見出された。また、非線形光学効果の観測に必要なトポロジカルスローライト導波路への高効率光入射を可能にするカプラ構造を設計し、シリコンバレーフォトニック結晶導波路を用いた実験によりその効果を実証した。また、機械学習を活用した群速度分散やカプラ構造の最適化の検討を開始した。
バレーフォトニック結晶を積層した構造を数値計算により検討した。InPおよびSiをスラブ材料としたハニカム格子フォトニック結晶を出発点とし、ABサイトの孔サイズを変えつつツイスト積層構造を調べた。その結果、特定の設計パラメータ、ツイスト角において光局在が発現することを確認した。また、その共振器状態について系統的に調べQ値が1000を超える構造を明らかにした。設計した構造の作製にも取り組んだ。InPを母材としてプロセス開発を進め単層フォトニック結晶の作製と転写プリント法を用いた積層構造の作製を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

トポロジカルスローライト導波路については、数値解析による分散制御の可能性の確認、今後の実験で重要となる高効率カプラの設計・実証のほか、当初想定していなかった機械学習のトポロジカルスローライト導波路やカプラの設計への適用についても目処がたった。
積層フォトニック結晶については、数値計算手法の開拓により、想定以上のペースで積層バレーフォトニック結晶に関する光学設計が進展している。作製プロセス開発については、単層構造を比較的高い精度で作製することに成功しており、同技術をベースとしてツイスト積層構造の作製が順調に進んでいる。転写プリント法を用いた積層プロセスにおいて回転角・位置合わせ精度に課題があるものの、今後の解決が見込まれる。
以上から、「おおむね順調に進展している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

スローライト導波路については、機械学習を活用してより広い帯域で低群速度分散を実現できる構造の設計を目指すとともに、実際にデバイスを作製し、まず線形光学特性の評価を行なう。
積層フォトニック結晶については、非線形光学効果の探求に適した高Q値共振が可能な構造の探求を目指す。また、モード体積が小さな光共振の可能性も検討する。作製プロセス開発においては、回転角調整手法の検討を進め、より高精度な積層構造の作製を目指す。

Research Products

• [Journal Article] Valley photonic crystal waveguides fabricated with CMOS-compatible process (2023)
  • Author(s): Yamaguchi Takuto、Yoshimi Hironobu、Seki Miyoshi、Ohtsuka Minoru、Yokoyama Nobuyuki、Ota Yasutomo、Okano Makoto、Iwamoto Satoshi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 8 Pages: 082002-082002
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ace74e
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Analysis of photonic band structure for InP/Si hetero twist-stacked photonic crystal slabs (2023)
  • Author(s): Y. Ishii, S. Trushin, G. Lu, S. Iwamoto and Y. Ota
  • Organizer: The 13th International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (PECS-XIII)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-Q Two-dimensional Photonic Crystal Nanocavity on Glass with a Top Glass Plate (2023)
  • Author(s): R. Kawata, A. Fujita, P. Natthajuks, S. Iwamoto and Y. Ota
  • Organizer: The 13th International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (PECS-XIII)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ガラス薄膜を装荷したガラス上2次元フォトニック結晶ナノ共振器の設計 (2023)
  • Author(s): 川田 琉生、藤田 晃成、Pholsen N.、岩本 敏、太田 泰友
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ガラス薄膜を装荷したガラス上2次元フォトニック結晶ナノ共振器の作製 (2023)
  • Author(s): 藤田 晃成、N. Pholsen、池 尙玟、川田 琉生、佐藤 拓未、岩本 敏、太田 泰友
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] InP/Siヘテロツイスト積層フォトニック結晶の数値解析 (2023)
  • Author(s): 石井 佑樹、S. Trushin、G. Lu、岩本 敏、太田 泰友
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Experimental Investigation for Meron Polarization Textures in Band Structures of Valley Photonic Crystals (2023)
  • Author(s): H. Yoshimi, H. Kagami, S. Okada, W. Lin, T. Amemiya, Y. Ota, N. Nishiyama and S. Iwamoto
  • Organizer: The 13th International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (PECS-XIII)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical cavities in topological photonic crystals (2022)
  • Author(s): Satoshi Iwamoto
  • Organizer: The NanoPhoton conference on ‘Fundamentals and applications of semiconductor nanocavities’
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Creating photonic topology in integrated photonics platform (2022)
  • Author(s): Satoshi Iwamoto
  • Organizer: The 6th A3 Metamaterials Forum
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Semiconductor-based topological nanophotonics (2022)
  • Author(s): Satoshi Iwamoto
  • Organizer: 2022 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optical characterization of valley photonic crystal waveguides fabricated with CMOS-compatible process (2022)
  • Author(s): T. Yamaguchi , H. Yoshimi, M. Seki , M. Ohtsuka, N. Yokoyama, Y. Ota , M. Okano, and S. Iwamoto
  • Organizer: 27th Microoptics Conference (MOC2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Demonstration of an Efficient Light Coupler to a Valley Photonic Crystal Waveguide Formed at a Bearded Interfac (2022)
  • Author(s): H. Yoshimi, T. Yamaguchi, S. Ishida, Y. Ota and S. Iwamoto
  • Organizer: 2022 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topological Slow-Light Waveguide Based On Semiconductor Vallery Photonic Crystal (2022)
  • Author(s): Satoshi Iwamoto
  • Organizer: Asia Communications and Photonics Conference (ACP) and International Conference on Information Photonics and Optical Communications (IPOC)(ACP/IPOC 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Semiconductor-based topological nanophotonics: fundamentals and recent progress (2022)
  • Author(s): Satoshi Iwamoto
  • Organizer: 35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Fabrication of Quadrupole Topological Photonic Crystal Slabs (2022)
  • Author(s): G. Lu, Y. Ota and S. Iwamoto
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] フォトニクスの視点で眺めるトポロジカルフォノニクス (2022)
  • Author(s): 岩本 敏
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] バレーフォトニック結晶Bearded界面導波路への高効率 光カプラー (2022)
  • Author(s): 吉見 拓展, 山口 拓人, 石田 悟己, 太田 泰 友, 岩本 敏
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 強束縛モデルに基づく2層2次元正方格子のバンド構造 解析 (2022)
  • Author(s): 石田 夏子, 太田 泰友, 林 文博, 荒川 泰彦, 岩 本 敏
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] CMOS 互換プロセスで作製したバレーフォトニック結晶導波路 (2022)
  • Author(s): 山口 拓人, 吉見 拓展, 関 三好, 大塚 実, 横山 信幸, 太田 泰友, 岡野 誠, 岩本 敏
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] バレーフォトニック結晶のバンド構造に現れる光スピン テクスチャの観測 (2022)
  • Author(s): 吉見 拓展, 各務 響, 岡田 祥, 林 文博, 雨宮 智宏, 太田 泰友, 西山 伸彦, 岩本 敏
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演
• [Presentation] フォトニック結晶：その基礎から最新の話題まで (2022)
  • Author(s): 岩本敏
  • Organizer: 量子エレクトロニクス研究会「量子エレクトロニクス～基礎から応用まで～」
  • Invited
• [Presentation] Bistable control of phase transition of an optomechanical SSH chain by radiation pressure (2022)
  • Author(s): F. Tian and S. Iwamoto
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会