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磁気光学結晶-on-insulator基板の実現とナノフォトニクスへの応用

研究課題

研究課題/領域番号 19K05300
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分30020:光工学および光量子科学関連
研究機関慶應義塾大学 (2021-2022)
東京大学 (2019-2020)

研究代表者

太田 泰友  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (90624528)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワード磁気光学 / フォトニック結晶 / メタ表面 / 集積フォトニクス / ナノフォトニクス / イットリウム鉄ガーネット / 薄膜光学材料 / 磁性ガーネット / トポロジカルフォトニクス
研究開始時の研究の概要

本研究では、磁気ナノフォトニクスという新しい研究分野を開拓するため、レーザーを用いた磁気光学薄膜の高品質分離技術を構築することを目指す。材料を薄膜化することで、光と物質の相互作用を増大することが可能となる。これにより、従来技術では難しかった超小型集積光アイソレーターや非相反トポロジカル光導波路といった新しい磁気光学デバイスの実現が期待される。

研究成果の概要

本研究では、磁気光学(MO)材料単結晶ウェハをガラス上に融着し研磨とエッチングにより薄膜化することでMOOI基板(MO crystal On Insulator基板)の実現に成功した。また、MO材料のイットリウム鉄ガーネットに対する微細加工技術の構築に取り組み、様々なドライエッチング技術を検討した。加えて、MOOI基板を活用した磁気ナノフォトニクス構造を検討し、メタ表面、フォトニック結晶、シリコンとのハイブリッド構造を評価し、極薄Faraday回転子の設計に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

薄膜光学材料は、ナノ構造を用いて光を制御するナノフォトニクス技術に必要不可欠と言える。これまで単結晶MO材料を同分野に有用な形で薄膜化することは難しく、磁気ナノフォトニクスの進展は限定的であった。本研究では単結晶MO薄膜をガラス上に装荷したMOOI基板を実現した。同基板を用いることで、通常の誘電体のみでは実現の難しい磁気ナノフォトニクス素子の実現が容易となる。同素子は、光通信やセンシングなどに有用であるとともに新しい学術探求の場としても魅力的である。

報告書

(5件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2023 2022 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 4件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Optimizing the optical and magneto-optical response of all-dielectric metasurfaces with tilted side walls2023

    • 著者名/発表者名
      Siyuan Gao, Yasutomo Ota, Feng Tian, Tianji Liu, and Satoshi Iwamoto
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 31 号: 9 ページ: 13672-13682

    • DOI

      10.1364/oe.480415

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Topological Band Gaps Enlarged in Epsilon-Near-Zero Magneto-Optical Photonic Crystals2022

    • 著者名/発表者名
      Tianji Liu, Nobukiyo Kobayashi, Kenji Ikeda, Yasutomo Ota, and Satoshi Iwamoto
    • 雑誌名

      ACS Photonics

      巻: 9 号: 5 ページ: 1621-1626

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.1c01942

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 転写プリント法を用いた量子/古典光源のハイブリッド光集積2021

    • 著者名/発表者名
      太田 泰友、岩本 敏、荒川 泰彦
    • 巻
      J104-C
    • 号
      12
    • ページ
      326-334
    • DOI

      10.14923/transelej.2021JCI0002

    • ISSN
      1881-0217
    • 年月日
      2021-12-01
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 転写プリント法によるナノ光素子のシリコン上ハイブリッド集積2020

    • 著者名/発表者名
      太田 泰友, 岩本 敏, 荒川 泰彦
    • 雑誌名

      レーザー研究

      巻: 48 ページ: 545-549

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Design of an Ultra-thin Faraday Rotator based on a Magneto-Photonic Crystal2023

    • 著者名/発表者名
      S. Gao, Y. Ota and S. Iwamoto
    • 学会等名
      The 13th International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (PECS-XIII)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] イットリウム鉄ガーネットに対するアルゴン・メタン水素混合ガスを用いたプラズマドライエッチングの検討2023

    • 著者名/発表者名
      北井達也,高思源,岩本敏,太田泰友
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 全誘電体メタ表面を用いた磁気光学効果の増強2023

    • 著者名/発表者名
      太田泰友, 高思源, 北井達也, 岩本敏
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Design of an All-dielectric Magneto-optical Metasurface with Giant Faraday Effect and High Light Transmission2022

    • 著者名/発表者名
      Siyuan Gao, Yasutomo Ota, Tianji Liu, Satoshi Iwamoto
    • 学会等名
      Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of a Magneto-Photonic Crystal Exhibiting a Giant Faraday Rotation2022

    • 著者名/発表者名
      S. Gao, Y. Ota and S. Iwamoto
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Design of an All-dielectric Magneto-optical Metasurface Exhibiting a Giant Faraday Rotation2022

    • 著者名/発表者名
      S. Gao, Y. Ota, T. Liu and S. Iwamoto
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会, 24p-E303-1, 青山学院大学相模原キャンパス+オンライン(2022.3)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Transfer printing for hybrid-integrated nanophotonics on chip2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Ota,S. Iwamoto and Y. Arakawa
    • 学会等名
      OPJ2021 - Optics & Photonics Japan 2021 Joint Symposia on Optics Program, 27pCJ5, Tokyo, Japan
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Hybrid integrated light sources on silicon assembled by transfer printing2021

    • 著者名/発表者名
      Y. Ota, S. Iwamoto and Y. Arakawa
    • 学会等名
      2021 IEEE Photonics Conference (IPC), Oct.2021 (online format)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Faraday rotation in a magnetic metasurface based on circular truncated nanocones2021

    • 著者名/発表者名
      S. Gao, Y. Ota, F. Tian, T. Liu and S. Iwamoto
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会,11p-N205-9,オンライン(2021.9)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Fabrication of a Sub-micron-thick Monocrystalline Magneto-optical Garnet Thin Film on Insulator Substrate2021

    • 著者名/発表者名
      Siyuan Gao、Yasutomo Ota、Feng Tian、Yasuhiko Arakawa and Satoshi Iwamoto
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会,18p-P03-2,オンライン(2021.3)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] 転写プリント法による微小光源の光ハイブリッド集積2020

    • 著者名/発表者名
      太田泰友、岩本敏、荒川泰彦
    • 学会等名
      電子情報通信学会,CI-2-3,オンライン(2020.9)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 光ハイブリッド集積技術を活用した量子光源2020

    • 著者名/発表者名
      太田泰友
    • 学会等名
      量子情報工学研究会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Fabrication of Monocrystalline Magneto-optical Garnet Thin Film on Insulator Substrates as a Basis for Exploring Magneto-nanophotonics2020

    • 著者名/発表者名
      S. Gao, Y. Ota, F. Tian, Y. Arakawa, and S. Iwamoto
    • 学会等名
      第67回応用物理学会春季学術講演会, 13p-PA7-10, 上智大学 ,東京 (2020).
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Toward magneto-nanophotonics based on thin-film yttrium iron garnet: wafer bonding and grinding for substrate preparation2019

    • 著者名/発表者名
      S. Gao, Y. Ota, F. Tian, Y. Arakawa, and S. Iwamoto
    • 学会等名
      第4回JSAPフォトニクスワークショップ, 沖縄青年会館, 沖縄 (2019)
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2024-01-30  

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