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半導体フォトニック結晶を用いた非線形トポロジカルナノフォトニクスの開拓

研究課題

研究課題/領域番号 22H00298
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分30:応用物理工学およびその関連分野
研究機関東京大学

研究代表者

岩本 敏  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40359667)

研究分担者 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) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
41,860千円 (直接経費: 32,200千円、間接経費: 9,660千円)
2025年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
2024年度: 9,620千円 (直接経費: 7,400千円、間接経費: 2,220千円)
2023年度: 12,740千円 (直接経費: 9,800千円、間接経費: 2,940千円)
2022年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円)
キーワードフォトニック結晶 / 非線形光学 / トポロジー / トポロジカルフォトニクス
研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

報告書

(2件)
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (22件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 10件、 招待講演 7件)

  • [雑誌論文] Valley photonic crystal waveguides fabricated with CMOS-compatible process2023

    • 著者名/発表者名
      Yamaguchi Takuto、Yoshimi Hironobu、Seki Miyoshi、Ohtsuka Minoru、Yokoyama Nobuyuki、Ota Yasutomo、Okano Makoto、Iwamoto Satoshi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: 8 ページ: 082002-082002

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ace74e

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Analysis of photonic band structure for InP/Si hetero twist-stacked photonic crystal slabs2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Ishii, S. Trushin, G. Lu, S. Iwamoto and Y. Ota
    • 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] High-Q Two-dimensional Photonic Crystal Nanocavity on Glass with a Top Glass Plate2023

    • 著者名/発表者名
      R. Kawata, A. Fujita, P. Natthajuks, S. Iwamoto and Y. Ota
    • 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] 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

    • 著者名/発表者名
      川田 琉生、藤田 晃成、Pholsen N.、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] 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

    • 著者名/発表者名
      藤田 晃成、N. Pholsen、池 尙玟、川田 琉生、佐藤 拓未、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] 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

    • 著者名/発表者名
      石井 佑樹、S. Trushin、G. Lu、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] Experimental Investigation for Meron Polarization Textures in Band Structures of Valley Photonic Crystals2023

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshimi, H. Kagami, S. Okada, W. Lin, T. Amemiya, Y. Ota, N. Nishiyama 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] Optical cavities in topological photonic crystals2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Iwamoto
    • 学会等名
      The NanoPhoton conference on ‘Fundamentals and applications of semiconductor nanocavities’
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Creating photonic topology in integrated photonics platform2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Iwamoto
    • 学会等名
      The 6th A3 Metamaterials Forum
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Semiconductor-based topological nanophotonics2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Iwamoto
    • 学会等名
      2022 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optical characterization of valley photonic crystal waveguides fabricated with CMOS-compatible process2022

    • 著者名/発表者名
      T. Yamaguchi , H. Yoshimi, M. Seki , M. Ohtsuka, N. Yokoyama, Y. Ota , M. Okano, and S. Iwamoto
    • 学会等名
      27th Microoptics Conference (MOC2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Demonstration of an Efficient Light Coupler to a Valley Photonic Crystal Waveguide Formed at a Bearded Interfac2022

    • 著者名/発表者名
      H. Yoshimi, T. Yamaguchi, S. Ishida, Y. Ota and S. Iwamoto
    • 学会等名
      2022 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Topological Slow-Light Waveguide Based On Semiconductor Vallery Photonic Crystal2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Iwamoto
    • 学会等名
      Asia Communications and Photonics Conference (ACP) and International Conference on Information Photonics and Optical Communications (IPOC)(ACP/IPOC 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Semiconductor-based topological nanophotonics: fundamentals and recent progress2022

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Iwamoto
    • 学会等名
      35th International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fabrication of Quadrupole Topological Photonic Crystal Slabs2022

    • 著者名/発表者名
      G. Lu, 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] 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

    • 著者名/発表者名
      岩本 敏
    • 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
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      吉見 拓展, 山口 拓人, 石田 悟己, 太田 泰 友, 岩本 敏
    • 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] 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

    • 著者名/発表者名
      石田 夏子, 太田 泰友, 林 文博, 荒川 泰彦, 岩 本 敏
    • 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] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 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] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] フォトニック結晶:その基礎から最新の話題まで2022

    • 著者名/発表者名
      岩本敏
    • 学会等名
      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~」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Bistable control of phase transition of an optomechanical SSH chain by radiation pressure2022

    • 著者名/発表者名
      F. Tian and S. Iwamoto
    • 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

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-06-20  

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