| 研究課題/領域番号 |
16K06295
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
庄司 雄哉 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (00447541)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 光メモリ / 光磁気記録 |
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| 研究実績の概要 |
提案する磁性光メモリは光信号に対して光磁気記録により1ビットずつデータを記憶・再生する素子である。特に導波路を伝搬する光パルスによって磁性体を加熱し磁化反転を実現することがキーとなる。
今年度、磁気光学材料CoFe2O4膜の開発を実施した。しかし、当初の目論見としてのMgO層を介した単一配向膜による大きな磁気光学効果の発現と低損失化には至っていない。今後は、基板加熱やRHEEDによる成膜中モニタを利用して、下地のMgO層の品質改善を検討する。
また、光伝搬シミュレーションと数値解析による光吸収効率の計算を行った。その結果、リング一周当たりの吸収は小さくても共振の強さ(Q値)を高めることで周回数が増加するため、全体としての吸収効率を高める設計が可能であることがわかった。リング共振器の共振設計つまりバスラインとリング間ギャップの設計や金属の領域長の最適化によって、効率改善の見込みが得られた。
光による加熱の実験的な検討も実施し、シリコン導波路上にリング共振器を形成し、その上部に金属などの吸収体を装荷した場合の光吸収と温度上昇について調査を行った。入力光の入力パワーに依存したリング共振器の共振特性の変化を観測することで、Si導波路に誘起された熱光学効果から金属部の温度上昇量を見積もることができる。リング共振器における曲げ損失の低減や金属層間のクラッド層厚の調整により、金属への効率的な光吸収が実現され、最大で100℃程度の温度上昇を達成した。この成果を、米国カリフォルニアバークレーで開催された国際会議Microoptics Conference’17で口頭発表した。
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| 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
本光メモリの開発では、再生動作と記録動作の実証を同時並行で進めている。
再生動作の課題はCoFe2O4膜の開発であり、これに関しては昨年度進展が得られず計画の遅延が生じている。原因としては下地層となるMgO層の配向制御ができていないことで、その大きな理由は成膜後の評価にX線回折装置を用いているのに対し、MgOの潮解性により膜質を正しく評価できないことである。また、他機関からの報告では、成膜中の基板温度を300～400℃に加熱する条件で良好なCoFe2O4膜が得られているが、本研究で現在用いているスパッタ成膜装置では基板加熱機構が搭載されていないため、常温での成膜を行っている。これら成膜手法の改善が急務である。
記録動作においては、着実な進展が得られている。リング共振器上に金属を装荷した構造の光学特性を測定することで、観測された波長シフトからSi導波路の熱光学効果による温度上昇が求まり、そこから金属部の加熱温度が評価できる。９．研究実績に記述の通り、昨年度、導波路中の1mW程度の伝搬光によって金属部で100℃程度の温度上昇を達成している。磁化反転に必要な温度としては不十分であるが、実験と評価手法を確立したことは初年度として順調な進展である。
このように、課題によって一長一短な進捗状況ではあるが、本提案の独創的で挑戦的な面は後者の記録動作の実証にあるため、その進展を鑑みて総合評価を「(2)おおむね順調に進展している」とした。
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| 今後の研究の推進方策 |
上述の通り、CoFe2O4膜の開発における課題は、MgOの潮解性により膜質を正しく評価できないことである。また、他機関からの報告では、基板加熱による成膜で良好なCoFe2O4膜が得られている。そこで、今年度導入予定の新しい成膜装置には基板加熱機構と成膜中の結晶性評価機構（RHEED）が搭載される。この新装置を用いてMgO層の配向性制御を確実に行うことにより課題解決を検討する。所望のMgO層の配向面が得られれば、その格子定数とマッチしたCoFe2O4膜の配向面が選択的に形成されて成膜できることが知られており、単一配向CoFe2O4膜をSi導波路上に形成することで低損失な光再生動作の実現が期待される。
光による加熱方式の開発においては、光伝搬解析による吸収効率の解析と設計へのフィードバックを進めている。今年度、設計の最適化によって200～300℃の温度上昇を目指し、来年度、CoFe2O4膜を光加熱しながらの磁場印加によって磁化反転の実証を検討する予定である。磁化反転の判定には、反射光の磁気カー効果を利用した偏光顕微鏡により、可視的に観測することができる。加熱温度がCoFe2O4膜のキュリー温度に達しない場合でも、外部磁場強度やベースの基板温度を適切に制御することで、光誘起の熱アシスト磁化反転を達成することで、本光メモリの有効性を示す。
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