ハイブリッドプラズモニック導波路を利用したハイブリッド光デバイスの開発
Development of Hybrid Devices using Hybrid Plasmonic Waveguides

めに光導波路とトレンチ型プラズモニック導波路を組み合わせたトレンチ型のハイブリッドプラズモニック導波路を考案した。
本研究は、考案したトレンチ型ハイブリッドプラズモニック導波路を利用したハイブリッド光デバイスを開発することを目的とした。

岡本 浩行 ( Hiroyuki OKAMOTO, Ph. D.)

２．研究の背景阿南工業高等専門学校 創造技術工学科 教授

モノのインターネット(IoT:(Professor, Department of Creative Technology Engineering,
National Institute of Technology, Anan College)

Internet of Things)やインターネットを利用した様々なサービスの提供など、インターネットは生活していく上で必要不可欠な存在

応用物理学会, 情報処理学会, 電子情報通信学会, 日本教育工学会, 計測自動制御学会 他
研究専門分野：光デバイスとなっている。そのため通信トラフィックは急激な増加の傾向を示しており、2019 年 5 月時点での日本における総ダウンロードトラフィックは推定であらまし12.1Tbps となっており、前年と比較すると 17.5%増加

近年の通信トラフィックの急増に対応するため、光している[1]。このような通信トラフィックの増加に対によるネットワークの大容量化が進められている。光応するため、光によるネットワークの大容量化が進めデバイスのサイズは光の波長に制限されるため、光デられている。しかし、光の回折限界により光デバイスバイスだけを利用して、電子デバイスの集積回路のよのサイズは電子デバイスより非常に大きくなることかうな実用的なサイズの光集積回路を開発することは非ら、光デバイスだけを利用して実用的なサイズの光集常に困難である。そこで光エネルギーから変換可能で、積デバイスを開発することは非常に困難である[2]。そ波長などの制限のない表面プラズモンポラリトンを通こで光エネルギーから変換可能で、回折限界のない表信に利用する方法が検討されている。しかし、表面プ面プラズモンポラリトン(SPPs:

ラズモンポラリトンは損失が非常に大きく、表面プラSurface PlasmonPolaritons)を通信に利用する方法が検討されている

ズモンポラリトンのみでデバイスを構築することは難[3]。しかし、SPPs はオーム損失など損失が非常に大しい。これらの問題に対応するため、光と表面プラズきいため、SPPs だけを利用してデバイスを構築する

モンポラリトンを組み合わせたハイブリッドデバイスことは難しい。これらの問題に対応するため、光とが考えられている。

SPPs を組み合わせることで、それぞれの特徴である

本研究では、光導波路とトレンチ型プラズモニック損失の低減が可能であることとサイズの微小化が可能導波路を組み合わせたトレンチ型ハイブリッドプラズであることを組み合わせて活用することが可能となり、モニック導波路を考案し、考案した構造を利用したハ損失を低減し、デバイスサイズの微小化が可能なハイイブリッド光デバイス構造の評価を行い、その有用性ブリッドデバイスが考えられている。既に損失を低減を明らかにした。

したハイブリッドプラズモニック導波路構造やハイブリッドプラズモニック導波路構造を利用したデバイス

１．研究の目的などが報告されている[4,5]。デバイスの損失を低減す

現在の通信トラフィックの増大に対応するために損るためには微小化が必要な部分にのみ、SPPs を用い失の低減が可能であり、デバイスの微小化が可能であることが重要である。

るという特徴を有するハイブリッド光デバイスの開発は非常に重要である。本研究ではハイブリッドプラズ

３．ハイブリッド光デバイスの開発

モニック導波路として、光回路との親和性を高めるた

図１にトレンチ型ハイブリッドプラズモニック導波
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路構造を示す。とトレンチ型プラズモニック導波路が基本モードで伝搬可能な 300 nm とした。設計したトレンチ型ハイブ
リッドプラズモニック導波路について有限領域差分法を用いて評価を行った。

図 1 トレンチ型ハイブリッドプラズモニック導波路構造(a) x-y 平面 (b) y-z 平面

図１(a)は x-y 平面から見た構造であり、図１(b)は y-

図 3 トレンチ型ハイブリッドプラズモニック導波

z 平面から見た構造である。構造は SOI(Silicon on路の電界強度分布(波長 1300 nm, Lg: 1000 nm) (a) x-Insulator)基板上に作製したシリコン光導波路の一部

y 平面, (b) x-z 平面を金で覆い、トレンチ型プラズモニック導波路とすることで、光導波路とプラズモニック導波路を組み合わ

図 3 に有限領域差分法により評価を行った電界強度分せた構造とした。金で覆われたトレンチ型プラズモニ

布を示す。図 3(a)は x-y 平面からの見た電界強度分布

ック導波路ではシリコン光導波路を伝搬する光の一部であり、図 3(b)は x-z 平面から見た電界強度分布であが SPPs に結合し、光と SPPs が伝搬するハイブリッる。金で覆った部分の長さ（Lg）が 1000 nm のトレドプラズモニック導波路となる。シリコン光導波路のンチ型ハイブリッドプラズモニック導波路においてシ幅は 500 nm とした。

リコン光導波路を伝搬する光とトレンチ型プラズモニ
ック導波路を伝搬する SPPs を確認できた。これより、設計した構造はトレンチ型ハイブリッドプラズモニッ
ク導波路として動作することを明らかにできた。
次に設計したトレンチ型ハイブリッドプラズモニッ
ク導波路構造について電子ビームリソグラフィ技術を利用して作製を行った.

図 2

シリコン光導波路とトレンチ型プラズモニック導波路の高さ(t)を変更した場合の基本モードの実効屈折率(波長 1300 nm)
図 2 に光の波長が 1300 nm におけるシリコン光導波路とトレンチ型プラズモニック導波路の高さ(t)を変更した場合の基本モードの実効屈折率の変化の様子

図 4 作製したトレンチ型ハイブリッドプラズモニを示す。図 2 より導波路の高さ(t)をシリコン光導波路

ック導波路構造 (a)全体像, (b) y-z 平面の切断面

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図 4 に作製したトレンチ型ハイブリッドプラズモニ

ラズモニック導波路を伝搬する光と SPPs の干渉の関ック導波路構造を示す。図 4(a)は構造の全体像を示す。

係を変化することが可能であり、出力する光を制御す

図 4(b)はトレンチ型ハイブリッドプラズモニック導波ることが可能であると考えられる。

路の y-z 平面での切断面を示す。また、作製した構造の入出力ポートとしてテーパー構造を利用し、シリコン光導波路への入出力を行う構造とした。テーパー構
造への入出力は垂直方向からの入出力が可能となるようにテーパーの端に角度が 45 度のミラーを作製し、

図 6 トレンチ型ハイブリッドプラズモニック導波

入射する場合は垂直方向からの光を反射してシリコン路の電界強度分布(波長 1300 nm, Lg: 1600 nm)光導波路へ結合し、また出射光についてはシリコン光導波路から出射された光が垂直方向に反射され、確認

図 6 に Lg の長さを 1600 nm とした構造の有限領域できる構造とした。

差分法で求めた電界強度分布を示す。図 3 に示す Lgが 1000 nm の電界強度分布の結果と比較すると図 6に示す出力光強度が低下していることが分かる。つまり Lg の長さを制御することで出力光の強度を制御できるハイブリッド光デバイス構造となることが明らかになった。本研究では、設計した構造について、実際に作製し、評価を行うことでハイブリッドプラズモニック導波路として動作することを確認できた。さらに
Lg の長さを変えることでハイブリッド光デバイスとして機能することをシミュレーションでは確認できた。
今後は Lg の長さを変えた構造を作製し、評価を行う

図 5 (a) 評価に用いたセットアップ,ことでハイブリッド光デバイスとして動作することの(b) 波長 1300

確認を行う。ハイブリッド光デバイスとして動作する

nm の光を入射した時のトレンチ型ハイブリッドプラことを確認できれば、光と SPPs を組み合わせた集積ズモニック導波路の光学顕微鏡像回路への応用が考えられる。さらには光や表面プラズモンなどが利用されているセンシング分野における装作製した構造の評価を図 5 に示す。図 5(a)に評価を置などの高精度化や微小化への応用が期待できる。

行ったセットアップを示す。図 5(b)は波長 1300 nm の光を入射した時の作製したトレンチ型ハイブリッドプ

まとめラズモニック導波路の光学顕微鏡像を示す。図 5(b)か

本研究では、光導波路とトレンチ型プラズモニック

らトレンチ型ハイブリッドプラズモニック導波路を伝導波路を組み合わせたトレンチ型ハイブリッドプラズ

搬した出力を出力ポートに確認できた。作製した構造

モニック導波路について設計、作製、評価を行った。

はハイブリッドプラズモニック導波路として動作する

その結果、作製した構造はハイブリッドプラズモニッことを明らかにできた。

ク導波路として動作することを明らかにできた。また、シリコン光導波路を金で覆う部分の長さを制御するこ

４．将来展望とで出力光強度を制御できることをシミュレーション

本研究で開発したトレンチ型ハイブリッドプラズモにより明らかにした。この構造を利用することで、ハニック導波路についてシリコン光導波路を金で覆う長イブリッド光デバイスの開発が可能になると考えられさ Lg を制御することで、トレンチ型ハイブリッドプ

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る。
今後は、本研究で開発したトレンチ型ハイブリッド光導波路を用いて、損失の低減が可能かつ微小化が可能なハイブリッド光デバイスの開発を進めたいと考えている。
参考文献[1] 総務省総合通信基盤局，我が国のインターネットにおけるトラヒックの集計結果（２０１９年５月分），2019 年
[2] H. A. Atwater, “The promise of PLASMONICS,”
Sci. Am., Vol. 296, pp. 56-63 (2007).
[3] 小野 真証, 納富 雅也, “プラズモニック導波路の光素子応用,” 応用物理, Vol. 88, No. 7, pp. 465-469(2019).
[4] M. Fukuda, Y. Tonooka, T. Inoue, and M. Ota,
“Feasibility of plasmonic circuits for on-chipinterconnects,” Solid State Electron., Vol. 156, pp.
33-40 (2019).
[5] H. Okamoto and K. Kusaka, “Low Loss
Plasmonic Bragg

Gratings witha Trench

Plasmonic Waveguide,” Plasmonics, Vol. 12, pp.
1481-1485 (2017).
関連文献
H. Okamoto, K. Yamaguchi, and M. Komatsu,“Refractive index sensing at one wavelength via an
active plasmonic device,” J. Nanophotonics, Vol. 12,046011 (2018).
この研究は、平成２８年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２９～令和元年度に実施されたものです。

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