2016 Fiscal Year Annual Research Report
多方向エッチングによる３次元フォトニック結晶の開発と光制御への展開
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15J08630
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
北野 圭輔 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 3次元フォトニック結晶 / 光ナノ共振器 / 光導波路 / ウエハ融着 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
意のままに，光を伝搬・導波させたり，局在させたりといった，光の自在な制御・操作の実現する基礎概念として光波長程度の屈折率周期を配置したナノ構造体である「フォトニック結晶」が，広く研究されている．適切な設計を行えば，光の伝搬を禁ずるフォトニックバンドギャップが得られ，光に対する絶縁体として機能する．特に周期性を立体的に配置した3次元フォトニック結晶は，あらゆる偏光，波数の光の存在を禁止し，立体的かつ光漏れ損失を極限まで抑制した光制御が可能となると期待されている．これまで2次元構造を順次融着積層していく手法の間に線状あるいは点状の欠陥を入れた層を挟み込むことで導波路や共振器を有する3次元構造を実現した．しかしながら，3次元構造形成のためには，数10nmレベルの高精度な位置合わせ融着積層などの，複雑かつ時間のかかる工程が周期数と対応する積層数とほぼ同回数要求されるため，実現に成功した積層数は少なく，結果として，導波路や共振器におけるエバネッセント的な光漏れ損失は未だ大きな状況であった．このような背景の元，3次元構造を多層化し，光漏れ損失を抑制するためには構造を簡便かつ高速に作製することが重要であると考え，作製が簡単と期待される新規手法の開発に取り組んだ．具体的にはこれまで用いられてきた3次元構造の作製手法である層状の構造を順次積層し作製する手法の概念を発展させ，複数層一括融着による作製法の開発に取り組んだ．この結果，新たな作製手法によって，3次元構造を形成し，設計した構造を精密に形成することに成功した．関連する成果としてこれまでより多層の3次元構造内に面欠陥を導入した構造を形成し，面欠陥を介した光の伝搬を実験・理論の両面から明らかにした．本結果について，論文へ掲載を果たしている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は3次元構造の新規作製手法の開発と，多層の構造による光制御の実証に取り組んだ．数百nmオーダの層構造を基本とした3次元構造を形成するにあたって，各層間の位置を精密に合わせることは重要となる．複数層を一括して融着する新規手法において，これまで，大面積の基板上へ複数層分のパターンを間隔を置いて形成し，これを高精度に位置を合わせながら融着することに成功していた．しかしながら，基板各所において各層の位置精度を確認すると，基板の並進や回転といった単純なずれでは説明の難しい，歪むかのような位置のずれの分布が生じ，その結果最大200nmのずれが生ずる状況であった．200nmの位置ずれは3次元構造の光学特性を劣化させる可能性があり，改善する必要がある．このような状況に対し，本年度は原因の特定から開始し，融着時の応力といった様々な要因を検討した．その結果，数百nmオーダの構造を形成するために用いていた，電子線描画装置に課題があることを見出し，課題を回避する新規描画手法を開発した．その結果，基板全面において位置ずれを100nm以下とすることに成功し，3次元構造の新規作成手法の開発が完了した．
関連する成果として既報の16層から，32層へ多層化した3次元構造を形成し，内部へ面欠陥を導入した結果について論文を出版した．このような系において，面欠陥のみ光が存在するよう設計したところ，作製した構造において，面欠陥に沿って光を伝搬させることに成功した．また，得られた実験結果に対し，シミュレーションを実行したところ，実験結果と対応する結果を得た．このような成果は，3次元フォトニック結晶の表面や角といった結晶の境界に関連する，物理的に興味深い成果であり，海外雑誌への論文掲載を果たした．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の研究により，複数層を一括融着することによる3次元構造の形成手法を確立した．これまで，作製に時間を要する点が3次元フォトニック結晶の層数を制限し，光制御の効率を律速する要因であったことを鑑みると，本手法を適用することにより，これまでよりも簡便に層数を増加させ，多層の3次元構造を形成することが可能となると期待できる．また，実際に32層の多層構造中に面欠陥を導入した構造を作製し，欠陥に起因した光伝搬を実証した．
このような結果に基づき，本年度は多層構造の中に，面欠陥よりも導入が困難と予想される点欠陥や線欠陥を導入し，各欠陥を利用した光制御を実証する．3次元フォトニック結晶へ点欠陥を導入した場合には，欠陥部にのみ光を閉じ込めるため，光の共振器として動作し，線状の欠陥を導入した場合には線状に光を導波させる導波路として動作する．3次元フォトニック結晶中に欠陥を導入した場合には，完全フォトニックバンドギャップにより欠陥部以外での光の伝搬が禁じられ，デバイスの光漏れ損失を極限にまで抑制することが可能なる．しかしながら，これまで作製されたデバイスは層数の有限性により，積層方向へのエバネッセント的な光漏れ損失が大きいという状況であった．そこで多層の構造を形成し，作製した構造中に種々の欠陥を導入することで光の漏れ損失を抑制したデバイスを実証する．特に32層の構造中へ共振器を導入した場合には，3次元フォトニック結晶を用いた光ナノ共振器として既報の性能を超えた光閉じ込め効果の実証が期待される．
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