近赤外/可視域における広帯域な迂回型光学迷彩の実現

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H02193
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 雨宮 智宏 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (80551275)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: メタマテリアル / 光学迷彩

研究実績の概要

2019年度においては、近赤外・可視域へ向けたメタマテリアルフィルムを提案・設計するとともに、実際に作製を行い、300 THz (波長980 nm) においてその実証を行った。
中赤外帯域で用いてきたCリング型メタマテリアルでは、作製限界の問題から、そのままサイズの微小化を行っても、近赤外・可視域に到達することができない。そのため、近赤外・可視域（300 THz以上）において迷彩効果を得ることができるよう、新たなメタマテリアル構造を提案した（東工大 & TOYOTA自動車, 光学迷彩装置, 特願2019-197954）。
提案したメタマテリアルの構造は、2つの金属十字構造を積層した形となっており、1層目と2層目の十字の長さを変化させることで誘電率を、1層目と2層目の重なり方を制御することで透磁率を、それぞれ独立に制御できる。本構造においては、重なり面積で動作周波数が決定されるため、金属の大きさを一定レベルに維持したまま、近赤外・可視域で透磁率を変化させることが可能となる。
本研究では、フィルムの膜厚は1 μmとし、内包する2層十字構造の形状分布については、変換光学の理論に従って設定した。プロセスの詳細記述は冗長となるため省略する。できあがったフィルムを直径50 μm のタングステンワイヤーと共にスライドガラスに挟み、滑走させることで巻き取りを行った。その後、ポリイミドのガラス転移温度付近で真空アニールを行うことで素子を作製した。
金属パターン（東工大のロゴ）が形成されたガラス基板の上部に素子を配置し、顕微紫外可視近赤外分光によるイメージングを行った。本来は素子で光が散乱することでロゴが隠されるが、波長1020 nm（= 294 THz）において、メタマテリアルフィルムが光学迷彩として働くことで光の迂回が起こり、デバイス直下のパターンを観測することに成功した。

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

2019年度は、近赤外・可視域へ向けたメタマテリアルフィルムを提案するとともに、実際に作製・評価をとおして、近赤外光学迷彩の実証を行った。提案したフィルムに内包するメタマテリアル構造は、2つの金属十字を積層した形となっている。本構造においては、重なり面積で動作周波数が決定されるため、金属の大きさを一定レベルに維持したまま、近赤外・可視域で透磁率を変化させることが可能となる。実際に、直径50 μmのタングステンワイヤーに本フィルムを巻きつけたサンプルにおいて、紫外可視分光イメージングにより、300 THz近傍での迷彩効果の発現を観測することに成功した。
当初研究計画に対して順調に進んでいるが、年度ごとの研究実施内容を若干変更した。当初計画では、本年は「赤外での広帯域化」に注力することになっており、可視域の実証については最終年度に実施予定となっていた。しかし、もっとも実現の難しい可視域の実証に向けて、比較的早い段階で有効なメタマテリアルフィルムの構造を提案できたため、2019年度はその理論解析、試作と評価に取り組むように変更した。そのため広帯域化は最終年度に行う予定となっている。

今後の研究の推進方策

2019年度の研究成果を発展させる形で、最終年度の研究計画では、「広帯域化」を目標に定める。メタマテリアルの電磁気学的な特性（誘電率・透磁率の値）は、内部の微細構造を変化させることで様々に制御できるが、逆を言えば、一度構造を決めてしまうとその特性を変化させることが非常に難しい。特に周波数の依存性は顕著であり、対象周波数では所望の光学定数が得られるものの、その周波数を外れると通常の特性に戻ってしまう。そのため，従来の光学迷彩は単一周波数動作（±5 THz程度）が常であったが、実用を見据えた場合、動作周波数を広げることは至上命題となる。
広帯域で動作する可視・近赤外の光学迷彩の実現へ向けて，メタマテリアルフィルムの設計・作製と、その光学定数（誘電率・透磁率）の評価を行う。2019年度に提案した2層構造メタマテリアルを拡張する形で、メタマテリアル内に重なりを複数用意することにより、その組み合わせによって20 THz以上の広帯域化が可能となる。薄膜フィルム内に前述したメタマテリアルを分布させ、紫外可視分光での評価をとおしてフィルム自体の基礎データを集めることで、フィルムの物質定数（誘電率および透磁率）を決定する。その後、得られたデータをもとにして，フィルム内に適当な光学定数分布を実現する。最終的に、顕微紫外可視分光イメージングおよび位相干渉イメージングを行うことで、広帯域光学迷彩の実証を試みる予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Control of slow-light effect in a metamaterial-loaded Si waveguide (2020)
  • 著者名/発表者名: Makoto Tanaka, Tomohiro Amemiya, Hibiki Kagami, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-quality, room-temperature, surface-activated bonding of GaInAsP/InP membrane structure on silicon (2020)
  • 著者名/発表者名: Weicheng Fang, Naoki Takahashi, Yoshitaka Ohiso, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Fabrication of Si Photonics Waveguides by Thick Resist-Mask Electron Beam Lithography Proximity Effect Correction (2020)
  • 著者名/発表者名: Moataz Eissa, Takuya Mitarai, Tomohiro Amemiya, Yasuyuki Miyamoto, Nobuhiko Nishiyama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] High Quality InP/SOI Heterogeneous Material Integration by Room Temperature Surface Activated Bonding for Hybrid Photonic Devices (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuning Wang, Kumi Nagasaka, Takuya Mitarai, Yoshitaka Ohiso, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] シリコンフォトニクスによる光渦多重技術 (2020)
  • 著者名/発表者名: 雨宮 智宏, 西山 伸彦, 吉田 知也, 渥美 裕樹, 榊原 陽一
  • 雑誌名: 光アライアンス 巻: 31(4) ページ: 1-5
• [雑誌論文] Enhanced bonding strength of InP/Si chip-on-wafer by plasma-activated bonding using stress-controlled interlayer (2019)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Kikuchi, Liu Bai, Takuya Mitarai, Hideki Yagi, Masato Furukawa, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa AraiTakehiko Kikuchi, Liu Bai, Takuya Mitarai, Hideki Yagi, Masato Furukawa, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 ページ: SBBD02
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab4b11
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metamaterial infrared refractometer for determining broadband complex refractive index (2019)
  • 著者名/発表者名: Hibiki Kagami, Tomohiro Amemiya, Makoto Tanaka, Yuning Wang, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 27(20) ページ: 28879-28890
  • DOI: 10.1364/OE.27.028879
  • 査読あり
• [雑誌論文] Demonstration of slow-light effect in a silicon-wire waveguide with a metamaterial (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Amemiya, Satoshi Yamasaki, Makoto Tanaka, Hibiki Kagami, Keisuke Masuda, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 27(10) ページ: 15007-15017
  • DOI: 10.1364/OE.27.015007
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of I/O metal grating coupler for organic membrane photonic integrated circuits (2019)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Masuda, Tomohiro Amemiya, Hibiki Kagami, Makoto Tanaka, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58(5) ページ: 051012
  • DOI: 10.7567/1347-4065/ab1336
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design of GaInAs/InP membrane p-i-n photodiodes with back-end distributed Bragg reflector (2019)
  • 著者名/発表者名: Xu Zheng, Tomohiro Amemiya, Zhichen Gu, Kouichi Saito, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 雑誌名: Journal of Optical Society of America B 巻: 36(4) ページ: 1054-1061
  • DOI: 10.1364/JOSAB.36.001054
  • 査読あり
• [学会発表] Optical vortex beam splitter using topological edge state waveguide (2020)
  • 著者名/発表者名: Sho Okada, Tomohiro Amemiya, Hibiki Kagami, Koichi Saito, Makoto Tanaka, Nobuhiko Nishiyama, Xiao Hu
  • 学会等名: The Conference on Lasers and Electro-Optics 2020 (CLEO 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] 1020-nm-band optical cloak using double-layered metamaterial film (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Amemiya, Hibiki Kagami, Makoto Tanaka, Sho Okada, Nobuhiko Nishiyama, Mayu Takagi, Tatsuhiro Urakami
  • 学会等名: The Conference on Lasers and Electro-Optics 2020 (CLEO 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] InP/SiO2/Si Surface Activated Bonding Assisted by Si Nano-Film (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Fang, Y. Wang, T. Amemiya, N. Nishiyama
  • 学会等名: 9th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Design of Low Loss InP-Based Membrane Optical Components on Si Substrate (2019)
  • 著者名/発表者名: W. Wang, F. Weicheng, K. Saito, N. Takahashi, T. Amemiya, N. Nishiyama
  • 学会等名: 9th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence (ISPEC 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication of Si Photonics Waveguides by Thick Resist-Mask Electron Beam Lithography Proximity Effect Correction (2019)
  • 著者名/発表者名: Moataz Eissa, Takuya Mitarai, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Yasuyuki Miyamoto
  • 学会等名: 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference (MNC 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Broadband Si waveguide loop mirror with curved directional coupler (2019)
  • 著者名/発表者名: Takuya Mitarai, Moataz Eissa, Takayuki Miyazaki, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 学会等名: The 24th Optoelectronics and Communications Conference (OECC/PSC 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Si-based Orbital Angular Momentum Mux/Demux Module (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Amemiya, Tomoya Yoshida, Yuki Atsumi, Yasuyuki Miyamoto, Yoichi Sakakibara, Shigehisa Arai
  • 学会等名: IEEE International Nanoelectronics Conference (INEC 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Topological Photonic Integrated Circuits for Controlling OAM light (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Amemiya, Hibiki Kagami, Koichi Saito, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 学会等名: International Workshop Topology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Taper Length Dependence of Double-Taper-Type Coupler for GaInAsP/SOI Hybrid Integrated Platform (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Miyazaki, Fumihito Tachibana, Takehiko Kikuchi, Takuo Hiratani, Hideki Yagi, Moataz Eissa, Takuya Mitarai, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week 2019: 31st International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Buried-ridge-waveguide Type GaInAsP/InP Membrane Distributed-Reflector Lasers for Reduction of Differential Resistance (2019)
  • 著者名/発表者名: Naoki Takahashi, Nagisa Nakamura, Takamasa Yoshida, Weicheng Fang, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week 2019: 31st International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of InP/Si bonding condition for optimizing Photoluminescence property by Surface Activated Bonding based on Fast Atom Beam (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuning Wang, Takuya Mitarai, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week 2019: 31st International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] High Yield Chip-on-wafer Low Temperature Plasma Activated Bonding for III-V/Si Hybrid Photonic Integration (2019)
  • 著者名/発表者名: Takehiko Kikuchi, Liu Bai, Takuya Mitarai, Hideki Yagi, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 学会等名: 2019 6th International Workshop on Low Temperature Bonding for 3D Integration (LTB-3D 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Metamaterial infrared refractometer for detecting broadband complex refractive index of liquid material (2019)
  • 著者名/発表者名: Hibiki Kagami, Tomohiro Amemiya, Makoto Tanaka, Keisuke Masuda, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 学会等名: The Conference on Lasers and Electro-Optics 2019 (CLEO 2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Control of slow-light effect in metamaterial-loaded Si waveguide (2019)
  • 著者名/発表者名: Makoto Tanaka, Tomohiro Amemiya, Satoshi Yamasaki, Hibiki Kagami, Makoto Tanaka, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
  • 学会等名: The Conference on Lasers and Electro-Optics 2019 (CLEO 2019)
  • 国際学会
• [備考] 東京工業大学 西山研究室
  • URL: http://www.opto.ee.e.titech.ac.jp/
• [備考] 雨宮智宏HP
  • URL: https://www.ametomo.info/
• [産業財産権] 試料の測定装置、測定方法およびプログラム (2019)
  • 発明者名: 雨宮 智宏, 岡田 祥, 河村 賢一
  • 権利者名: 雨宮 智宏, 岡田 祥, 河村 賢一
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-217786
• [産業財産権] 光学迷彩装置 (2019)
  • 発明者名: 雨宮 智宏, 高木 茉佑
  • 権利者名: 雨宮 智宏, 高木 茉佑
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-197954
• [産業財産権] トポロジカル光回路 (2019)
  • 発明者名: 雨宮 智宏, 斎藤 孝一, 各務 響, 岡田 祥, 胡 暁
  • 権利者名: 雨宮 智宏, 斎藤 孝一, 各務 響, 岡田 祥, 胡 暁
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2019-151863