光ナノメカニカル素子による超高分解能波長計測
High resolution wavelength measurement by an optomechanical nanodevice

光ナノメカニカル素子により、精密な光学系を用いずに高分解能な波長計測が可能であることを示唆している。本研究で目的とする光通信技術への応用はもとより、物質・材料分析のための分光技術など様々な応用が期待される。
１．はじめに

米谷 玲皇 (Reo KOMETANI, Dr. Sci.)

近年、光通信技術の発達は目覚ましく、高密度波長分割

東京大学大学院 新領域創成科学研究科 准教授

多重化（Dense Wavelength Division Multiplexing：(Associate Professor, Graduate School of Frontier Sciences, The
University of Tokyo)

DWDM）技術*1 などの様々な技術が光通信の高速化、大容量化に用いられ、社会や産業を支え、我々の生活

応用物理学会 日本機械学会 精密工学
受賞：第 63 回応用物理学会春季学術講演会 Poster Award (2016 年) 2010年度精密工学会秋季大会学術講演会ベストプレゼンテーション賞(2010 年)
The Forth International Nanotechnology Conference on Communicationand Cooperation (INC4) , The Poster Award for Nanotech in Japan(2008 年) 等
著書：松井真二，米谷玲皇：“集束イオンビーム CVD による立体ナノ構造形成の動的観察”, (株)エヌ・ティー・エス，ナノイメージング、第 4 編，
第 3 章，第 3 節，pp.341-348 (2008 年) 松井真二，米谷玲皇: “集束イオンビームを用いたバイオナノツールの作製と応用”, シーエムシー出版, 細胞分離・操作技術の最前線, 第 I 編,第 4 章 (2008 年) 米谷玲皇: ナノ・マ
イクロスケール機械工学(石原直, 加藤千幸, 光石衛, 渡邊 聡[編]), 第 3 章
3.2.3 節, 第 4 章 4.1.3 節, 及び 4.2.3 節, 東京大学出版会 (2014 年)
研究専門分野：荷電粒子ビーム工学 ナノメカニクスを豊かにしている。光通信技術を支える技術の一つに光源、光波長を管理するための安定化技術、装置がある。波長安定化装置（波長ロッカー）は、波長管理精度が高くなればなるほど精密さが要求され、如何に波長を高精度に計測するかがその高度化、簡易化、経済化の鍵となる。そのようなことから、筆者らのグルー
プは、波長計測機能の on-chip 素子による実現、波長計測高分解能化を狙い、NEMS（Nanoelectromechanicalsystems）*2 技術を応用した波長計測に関する研究をすすめてきた。
図 1 に、提案する計測原理の模式図を示す。ナノメカ

高 密 度 波 長 分 割 多 重 化 技 術 （ Dense

ニカル振動子上にプラズモニック構造を配置、プラズモWavelength Division Multiplexing：DWDM）等の光通ニック構造によりナノメカニカル振動子への光吸収（熱信における波長安定化技術への応用を目的として、吸収: T1, T2, …）に波長依存性を付与し、熱吸収（熱応

on-chip 波長計測素子に関する研究を行った。具体的に力）により変化するナノメカニカル振動子の共振周波数

は、質量や力学的/電磁気的作用、熱などに対し“高感度（f1, f2, …）から光波長（λ1, λ2,…）を計測するというの性”を有するナノメカニカル振動子と、光に対し“高い制が提案する新たな光波長の計測原理である。

あらまし御性”を有するプラズモニック構造を組み合わせた波長光
λ1, λ2, …

た。ナノメカニカル振動子上にプラズモニック構造を配置、これにより振動子への光吸収（熱吸収）に波長依存性を持たせ、熱吸収に伴う共振周波数の変化から光の波

プラズモニック
ナノ構造長を読み取るというのが提案する波長計測原理である。

熱の吸収
T1, T2, …

本研究では、1.5 µm 帯の光波長を対象としてプラズAmplitude

計測のための光ナノメカニカル素子に関する研究を行っシフト

λ2

λ1f1

f2

Frequency

振動f1, f2, …

波長検出
λ1, λ2, …

光ナノメカニカル振動子

モニック構造を設計、SiO2/Ti/Au/Ti/SiO2 サブ波長金属ホールアレイ構造を有する光ナノメカニカル振動子
図１を作製し、その波長計測特性を評価した。結果として、
1547-1563 nm の波長範囲において、およそ 9.1 pm

光ナノメカニカル素子による超高分解能波長計測の波長分解能を有することがわかった。この結果は、1TELECOM FRONTIER No.96 2017 AUTUMN

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High resolution wavelength measurement by an optomechanical nanodevice

ナノメカニカル振動子は、振動を介して様々な微小本研究では、本提案の原理の実証、高分解能な波長計物理量を計測可能な素子である。例えば、カーボンナ測の実現を目指し、研究を行った。

ノチューブからなる振動子により、yg オーダーの質量検出[1]や zN/Hz1/2 感度の力計測[2]、Si メカニカル振２．光ナノメカニカル素子の作製

動 子 を 用 い た 磁 気 力 や 光 放 射 圧 の 計 測 [3] 、 ま た

図 2 に、本研究で作製した光ナノメカニカル素子のSQUID （ Superconducting Quantum Interference

デバイス構造模式図を示す。ナノメカニカル振動子は、Device）など高性能デバイスと組み合わせることによ両持ち梁型とした。また、本研究では、より強い波長る fm/Hz1/2 感度の変位計測[4]など、多様な微小物理量依存性をナノメカニカル振動子に付与するために、Auの高感度計測が行われてきた。また、ナノ構造の光にホールアレイ構造の両面を SiO2 で覆ったサンドイッ対する特異性を利用したプラズモニック素子により、チ型の SiO2/Ti/Au/Ti/SiO2 構造からなるホールアレイ

光の吸光、透過制御など様々な機能[5]-[7]が実現され構造を用いた。Ti 層と SiO2 層と Au 層の接触ホールてきた。そのため、プラズモニック構造により吸光波アレイ構造の寸法は、厳密結合波解析法を用いて行っ長を選択、吸光（熱）を波長依存させることが可能でた。図 3 に、解析結果例として、上面 SiO2 層の膜厚あり、これを高感度なナノメカニカル振動子と組み合t1 毎の周期 p に対する吸収率変化量を示す。ホール径

わせ、熱応力の変化に伴う共振周波数変化を読み取る

d が 782 nm の Au 層の膜厚、下面 SiO2 層の膜厚がそことにより on-chip 素子による波長計測が期待される。

れぞれ 70 nm, 280 nm の場合の解析結果である。

SiO2/Ti/Au/Ti/SiO2
SiO2 ホール
サンドイッチ型
サブ波長金属ホールアレイ構造(SiO2/Ti/Au/Ti/SiO2)

dp(b) サブ波長金属ホールアレイ構造上面図
光ナノメカニカル振動子
SiO2 (t1)Ti/Au/Ti(5 nm/70 nm/5 nm)(a) 光ナノメカニカル構造模式図
SiO2 (280 nm)(c) サブ波長金属ホールアレイ構造断面模式図

図２

プラズモニック構造を有する光ナノメカニカル素子

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Change in absorption rate

スでは、TMAH（Tetramethylammonium hydroxide）0.3系ウエットエッチング溶液である PureEtch160（林純0.2薬工業株式会社）を用いた。なお、溶液温度は 85 ℃

t10.1とした。

100nm

0.0

120nm
140nm

-0.1

160nm

i)

ii)

iii)

iv)

v)

vi)

200nm

-0.2

240nm
280nm

-0.3

320nm

360nm

-0.41.25

図３1.351.45
Period p (μm)

1.55

上面 SiO2 層膜厚 t1 ごとのサンドイッチ型サブ波長金属ホールアレイの周期 p に対する吸収率変化（数値解析値）

光ナノメカニカル素子の作製は、電子ビームリソグ
ラフィー、蒸着、ウエットエッチング等を用いて行った。図 4 に、作製プロセス模式図を示す。まず、電子ビームリソグラフィーを用いて、ホールアレイ構造作製のためのパターニングを行った。利用した電子ビー
ム露光レジストは、ZEP-520A（日本ゼオン株式会社）

ZEP-520A

SiO2

Ti/Au/TiSiである。本研究では、加速電圧 50 kV、ビーム電流 100pA の電子ビームを用いた。露光量は 90 μC/cm2 であⅰ) 電子ビーム露光によるホールアレイ構造のパターニングⅱ) 蒸着による Ti/Au/Ti 膜の製膜ⅲ) リフトオフプロセスによるホールアレイ
構造形成ⅳ) RF スパッタリングによる SiO2 膜の製膜ⅴ) 集束イオンビームによるナノ振動子形状
パターニングⅵ) ウエットエッチングによるナノ振動子構造の形成った。また、レジストの現像には o-キシレンを用いた。
蒸着により Ti/Au/Ti 膜を製膜した。接着層である Tiは 5 nm とした。その後、リフトオフを行い、Ti/Au/Tiからなるホールアレイ構造を作製した。続いて、SiO2膜を RF スパッタリングにより製膜した。このときのRF 出力、Ar 流量、ベース真空度は、それぞれ 100 W,20 sccm, 10-4 P とした。膜厚は 120 nm であった。こ

図４

れにより、内部に Ti/Au/Ti からなるホールアレイ構造作製プロセス模式図を有する SiO2/Ti/Au/Ti/SiO2 多層膜を作製した。さらに、集束イオンビームを用いて SiO2/Ti/Au/Ti/SiO2 多層膜を振動子形状にパターニングした。このエッチン

図 5 に、作製した光ナノメカニカル素子の走査電子グ加工には、加速電圧 30 kV、ビーム電流 236 pA の顕微鏡写真を示す。振動子寸法は、長さ 9.6 µm、幅Ga+集束イオンビームを用いた。照射量は、1.35 ×10184.6 µm であった。また、ホールアレイ構造の直径 d、ions/cm2 であった。その後、集束イオンビームにより

周期 p、上面 SiO2 層の厚さ t1、Au 層の厚さは、それパターニングした多層膜全体を振動子とするために、ぞれおよそ 840 nm, 1.460 µm, 110 nm, 60 nm であっ

下層 Si 層のウエットエッチングを行った。このプロセた。
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イン微小振動計を用いて行った。共振特性計測は、波長 632.8 nm、出力 2 µW のレーザーを用いて行った。
加えて、計測対象として、本研究では、波長 1.542nm-1563 nm の波長可変レーザーを用いた。
このとき、照射レーザー光の出力は、全ての波長において 1.8mW とした。図 6(b)に、レーザー非照射時、波長 1550nm のレーザー非照射時の共振スペクトルを示す。
レーザー非照射時の共振周波数は、10.96 MHz、Q3µm値は 188 であった。また、レーザー照射によりその共振周波数は減少し、およそ 10 kHz の変化が生じた。

図５ 光ナノメカニカル素子の走査電子顕微鏡写真

加えて、照射レーザー光波長に対する共振周波数の変化を図 7 に示す。共振周波数変化の傾向は、図 7 に示すように、吸収率（解析値）の変化傾向におおよそ沿３．波長計測特性の評価う形となった。共振周波数の変化は、光吸収（熱）の光ナノメカニカル振動子の共振特性、波長計測特性影響によるものであることを示唆している。また、この評価を行った。図 6(a)に、共振特性、波長計測特性

れらの共振周波数変化の波長依存性から、波長計測分の評価実験系の模式図を示す。測定環境は、室温、真解能を算出した。振動子の周波数分解能 δf0 は、以下空環境下（5 × 10-3 Pa）とした。また、振動子の加振のように表される。

は、光熱励振法[8]*3 を用いて行った。この光熱励振法

δf 0 

においては、波長 408 nm、出力 20 µW の半導体レーザーを用いた。また、共振特性の計測は、光ヘテロダ

ネットワークアナライザ

CCD8f0ミラーランプ

Amptitude (nm)ミラー

照射位置制御機構

Laser
励振用レーザー

408 nmミラーLaser

評価対象光レーザー

1542 nm - 1562 nm

ミラーk BTf28π fMeff xc Q
3f1

With 1550 nm laser
Without laser

f0 = 10.96 MHz
f1 = 10.97 MHz

64O.L.(×50)

ナノ振動子210.90Laser
真空試料室

光ヘテロダイン振動計

5×10-3 Pa

632.8 nm10.9511.00
11.05
Frequency (MHz)

11.10

ステージ
(b) 評価対象光レーザー(波長 1550 nm)
照射前後の振動スペクトル(a) 評価実験系の模式図

図６

光ナノメカニカル素子の共振特性、波長計測特性の評価

4

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High resolution wavelength measurement by an optomechanical nanodevice

ここで、kB はボルツマン定数、T は環境温度、Δf は測用語解説

定系のバンド幅である。また、f, Meff, xc, Q は、それ*1 波長分割多重化技術

ぞれ振動子の共振周波数、有効質量、振幅、Q 値であ

光通信大容量化技術の一つである。一本の光ファる。さらに、波長分解能 δλ は、光波長の変化量 Δλ、イバーに異なる複数の波長の光を入れ通信する手法

共振周波数変化 Δf 、周波数分解能 δf0 を用いて、である。光ファイバーへの入射光の波長間隔により、(Δλ·δf0)/Δf と表される。結果として、作製した光ナノCWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing）

メカニカル振動子は、およそ 9.1 pm の波長分解能をと有することがわかった。この結果は、ナノメカニカルMultiplexing）に大別される。CWDM の場合、波長振動子の“高感度性”とプラズモニック構造の“光制御間隔は 20 nm であり、DWDM の場合、波長間隔は性”により、on-ship デバイスにより高分解能な波長計

0.8 nm や 0.4 nm 等となる。これにより、一本の光測が可能であることを示している。

ファイバーで大容量の通信を可能としている。

DWDM （ Dense

WavelengthDivision*2 NEMS（Nanoelectromechanical systems）
ナノスケールの微小電気機械デバイス、システムの総称である。半導体製造プロセス技術などの超微細加工技術を用いて作製される。NEMS の代表的素子として、本稿でも取り上げているナノメカニカル振動子が挙げられる。ナノメカニカル振動子の場合、質量付加や電磁気的／力学的作用など、振動子が有する様々な作用からの影響を受け共振特性（共振周波数や振幅等）を変化させる性質を利用し、その変化量を読み取ることで、それら作用した物理量をセンシングすることが可能である。センシング対象の多様性から、様々なセンサ素子への応用が期待され図７ている。

光ナノメカニカル素子の光波長に対する吸光特性（数値解析値）及び共振周波数シフト量*3 光熱励振法
微小メカニカル振動子の加振手法の一つである。
構造体に光を照射すると、熱応力が発生することを利用する。レーザー光を加振する振動子に照射し、４．おわりに振動子の共振周波数等特定の周波数でレーザー光を本研究では、レーザー波長安定化のための on-chip変調する。これにより、振動子に周期的に熱応力を波長計測素子の創出を狙い、ナノメカニカル振動子と発生させ、振動子を加振する。

プラズモニック構造を複合的に活用した光メカニカル素子、及びこれによる新たな光波長計測原理を提案し、参考文献

波長分解能 9.0 pm を達成した。干渉計などの精密な[1] J. Chaste, A. Eichler, J. Moser, G. Ceballos, R.

光学系を用いずに、極めて高分解能な波長計測素子実Rurali, A. Bachtold: Nat. Nanotechnol. 7, 301

現が可能である。また、本提案の素子、計測原理は、(2012).

光波長という基礎物理量計測に関するものであり、材[2] J. Moser, J. Güttinger, A. Eichler, M. J.

料評価、分析のための分光技術など、光を利用する様々

Esplandiu, D. E. Liu, M. I. Dykman, A. Bachtold:な技術への応用、展開が期待される。

Nat. Nanotechnol. 8, 493 (2013).

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光ナノメカニカル素子による超高分解能波長計測
High resolution wavelength measurement by an optomechanical nanodevice[3] T. Ono, M. Esashi: Rev. Sci. Instrum. 74, 5141
(2003).
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Yamaguchi, H. S. J. van der Zant: Nat. Phys. 4,785 (2008).
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[6] T. Thio, K. M. Pellerin, R. A. Linke, H. J. Lezec,T. W. Ebbesen: Opt. Lett. 26, 1972 (2001).
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[8] S. Nishida, D. Kobayashi, T. Sakurada, T.
Nakazawa, Y. Hoshi, H. Kawakatsu: Rev. Sci.
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[9] K. L. Ekinci, Y. T. Yang M. L. Roukes Appl. Phys.
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この研究は、平成２５年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２６～２７年度に実施されたものです。

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