【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2024.06.25】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22IT0027

利用課題名 / Title

トポロジカル光回路の作製手法の検討

利用した実施機関 / Support Institute

東京工業大学 / Tokyo Tech.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

トポロジカルフォトニクス, 集積フォトニクス

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

雨宮 智宏

所属名 / Affiliation

東京工業大学　科学技術創成研究院

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

各務響,岡田祥,Yahui Wang,坂本樹

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

西山伸彦

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

IT-001：電子ビーム露光装置
IT-002：電子ビーム露光データ加工ソフトウェア
IT-007：走査型電子顕微鏡
IT-014：ダイヤモンド用ICPリアクテブイオンエッチング装置
IT-027：ダイシングソー及びダイシング補助装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

光の軌道角運動量にあたる光渦は、波面のらせん周期に情報を乗せることで多重化が可能であることから、近年、研究開発が盛んに行われている。しかしながら、光通信において広く利用されている光回路においては、その構成要素の導波路型デバイス群がTE/TMモード光でのみ動作するため、光渦との親和性は決して高くない。そのため、本研究では、従来型の光回路の一部をトポロジカルフォトニクス系に置き換えることで（＝トポロジカル光回路）、光回路内において円偏光や光渦の各種制御を行うことを目指し、その基本素子の作製・評価を行った。

実験 / Experimental

トポロジカル光回路の作製において、IT-001 電子ビーム露光装置、IT-002 電子ビーム露光データ加工ソフトウェア、IT-014 ダイヤモンド用ICPリアクテブイオンエッチング装置を用いた。併せて、作製した素子の評価等に、IT-007 走査型電子顕微鏡、IT-027 ダイシングソー及びダイシング補助装置を利用した。

結果と考察 / Results and Discussion

作製したトポロジカルフォトニック結晶に対して開発装置を適用することで、トポロジカル相の観測を行った。トポロジカルフォトニック結晶においては、計算処理に基づいた描画パターン補正を導入し、これにより鋭い角をもった三角ナノホールを画一的に得ることができるようにした。作製においては、Siコア厚220nmのSOI基板上に、ZEP520A（膜厚: 500 nm）を塗布した後、IT-001, IT-002を利用することでパターンを形成した。その後、IT-014により、Si層をエッチングすることで構造を形成した。 図1にトポロジーの異なる典型的な2種類の構造に対して、開発した装置でフォトニックバンドを測定した結果を示す（IT-007で観測した画像も合わせて示す）。各バンドともに1550 nm近傍にバンドギャップをもつ一方、Γ点付近における上下のバンドの強度が反転していることが見て取れた。これは、トポロジカルフォトニック構造においては、Γ点付近においてp波とd波の電磁モードがエネルギー反転を起こしており、実験においてp波に比べてd波の電磁モードの反射強度が弱くなるという傾向をとおして、この特徴が現れているといえる。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 蜂の巣型PhCにおけるバンド反転に伴うトポロジカル相転移の観測

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

JST CREST (JPMJCR18T4), JST A-STEP (JPMJTR22RG), 科研費（22H01520）

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：6件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件