研究課題
基盤研究(A)
電波と光波の境界領域の周波数を有するテラヘルツ波は，未だ人類に有効利用されていない未開の電磁波である．これは，テラヘルツ帯がエレクトロニクスの高周波極限に相当し，金属配線の損失が大きく，デバイスシステムを小型集積化するための回路技術が未開発のためである．本研究では，研究代表者らが世界に先駆けて開拓してきた世界最小損失のテラヘルツフォトニック結晶回路技術に物質科学に変革をもたらしているトポロジカルな性質を与えることで飛躍的な発展をはかり，テラヘルツ波を利用した通信やセンシングなどの応用を切り拓く．
本研究では，研究代表者らが世界に先駆けて開拓してきた世界最小損失のテラヘルツフォトニック結晶回路技術に物質科学に変革をもたらしているトポロジカルな性質を与えることで飛躍的な発展をはかり，テラヘルツ波を利用した通信やセンシングなどの応用を切り拓くことを目指した．トポロジカルフォトニック結晶では周期構造中に界面を形成すると，それが伝送路として働く伝搬状態を生成される．そのような伝送路では，テラヘルツ波のトポロジカルな性質によって，通常の伝送路では生じる曲げ，分岐およびフィルタ構造における後方散乱の抑制効果が期待できる．トポロジカルフォトニック結晶の基本構造として，トポロジカルな性質の起源といえる電磁波に対する擬スピン状態を生成可能な大小の三角空孔をシリコンスラブに六員環状に周期的に配置した構造を採用した．その際，高い抵抗率を有するシリコンを利用することでテラヘルツ帯で課題となる吸収損失を抑制した．そして，フォトリソグラフィ，プラズマエッチングといった微細加工技術で利用することで実験用の試料を作製した．異なる種類の界面を有する伝送路の特性を比較したところ，分散関係の違いに起因して，大きな三角空孔が界面に並ぶ構造では低周波側の漏れを抑制することが可能であり，広帯域な動作が可能であることがわかった．さらに大小の孔の大きさの差を拡大することでフォトニックバンドギャップ効果を大きくすることで0.3 THz帯で従来を上回る40 GHz以上の帯域を実現した伝送路で26 Gbit/sのエラーフリー通信に成功した．また，異なる種類の伝送路を結合させることでカットオフ周波数が調整可能なトポロジカル伝送路フィルタを実現した．カットオフ周波数の異なるフィルタを直列に配置することで3チャンネルの合分波器動作に成功し，0.3 THz帯において合計30 Gbit/sのエラーフリー通信速度が得られた．
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
すべて 2024 2023 2022 2021 2020 その他
すべて 国際共同研究 (13件) 雑誌論文 (15件) (うち国際共著 8件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 11件) 学会発表 (41件) (うち国際学会 15件、 招待講演 18件) 図書 (1件)
APL Photonics
巻: 9 号: 3
10.1063/5.0180941
巻: 8 号: 9
10.1063/5.0158350
Physical Review A
巻: 108 号: 3
10.1103/physreva.108.033522
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics
巻: 29 号: 3: Photon. Elec. Co-Inte. and Ad ページ: 1-10
10.1109/jstqe.2022.3215524
Optics Express
巻: 31 号: 5 ページ: 7351-7362
10.1364/oe.482785
Nanophotonics
巻: 11 号: 9 ページ: 1741-1759
10.1515/nanoph-2021-0673
IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology
巻: 12 号: 4 ページ: 334-344
10.1109/tthz.2022.3167946
Photonics
巻: 9 号: 8 ページ: 515-515
10.3390/photonics9080515
Journal of Applied Physics
巻: 132 号: 14
10.1063/5.0099423
Optica
巻: 8 号: 5 ページ: 621-629
10.1364/optica.420715
巻: 6 号: 9
10.1063/5.0054251
オプトロニクス
巻: 40 ページ: 97-102
Journal of Lightwave Technology
巻: 39 号: 24 ページ: 7609-7620
10.1109/jlt.2021.3107682
Nature Photonics
巻: 14 号: 7 ページ: 446-451
10.1038/s41566-020-0618-9
巻: 38 ページ: 6853-6862
10.1109/jlt.2020.3021681
