【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.01】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24IT0023
利用課題名 / Title
トポロジカルフォトニクスを用いた革新的量子光回路の研究
利用した実施機関 / Support Institute
東京科学大学 / Science Tokyo
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）-
【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
電子線リソグラフィ/ EB lithography,リソグラフィ/ Lithography,PVD,トポロジカル量子物質/ Topological quantum matter,フォトニクス/ Photonics
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
東京科学大学 工学院電気電子系
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
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-015：SiO2プラズマCVD 装置
IT-038：電子ビーム露光装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
光回路は、高い処理速度とエネルギー効率を実現するために光通信で必須となる様々な機能を一つのチップに集積したものであるが、現行の光回路では光子自体の内部自由度まで扱うことはできない。そのような中、回路内においてこれらを制御できるようになれば、大容量化・高速化・ダウンサイズ化など、フォトニクス分野において限界を迎えつつある様々な課題について大きな進展をもたらすことが可能となる。通常の光回路において、伝送、入出力、分岐を担う一連のパッシブ素子はもっとも重要なデバイス群であるが、これはトポロジカルフォトニクスでも同様である。特に、従来の光回路でいうところのYスプリッタや方向性結合器に当たる分岐素子のトポロジカル化は難しく、画一的なデザインルールが求められている。本研究では、トポロジカルエッジ伝送路におけるスプリッタの提案を行うとともに、その実証に成功した。
実験 / Experimental
電子線リソグラフィとPCVDおよびドライエッチング装置（IT-014, 015, 038）を駆使することでSOI基板上に作製された素子の光学顕微鏡像と電子顕微鏡像をFig. 1に示す。このとき、スプリッタ領域は24個 (4×6)のユニットセル群とし、各領域に配置するフォトニック構造は、4.2節で予め評価した結果をもとに、動作波長が1540 nmとなるように設計した。具体的には、自明/トポロジカルなフォトニック構造として、R = 244/270 nm、L = 284/270 nmを採用した。また、スプリッタ領域に配置するフォトニック構造の(R, L)は、バンドギャップ中心が動作波長の1540 nmと一致するよう、(244 nm, 270 nm)から(284 nm, 270 nm)の範囲で変化させた。
結果と考察 / Results and Discussion
Fig. 2に、Port 1に対するPort 2の出力強度比の測定結果を示す（同一構造での解析結果も併せて示す）。スプリッタ領域に配置するフォトニック構造のRを増加させるにつれて、Port 2に出力されていた伝搬光が抑えられ、徐々にPort 1の出力が増加していく。最終的に、出力強度比の変化は、10.2dBから-9.2dBとなった。本結果は、スプリッタ領域に配置するフォトニック構造を変化させることで、Port 1またはPort 2への分岐比を連続的に制御可能であることを示唆している。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 トポロジカルスプリッタの光学顕微鏡像と電子顕微鏡像
Fig. 2 Port 1に対するPort 2の出力強度比の測定結果および赤外カメラ画像
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
X.-X. Wang, S. Okada, T. Maekawa, L. Hu, T. Amemiya, X. Hu, "Interference and switching effect of topological interfacial modes with geometric phase," Phys. Rev. Res., to be published.
T. Amemiya et al., "Topological Edge state of light," J. Phys. Soc. Jpn., to be published.雨宮 智宏, 岡田 祥, 西山 伸彦, 胡 暁, トポロジカルエッジ状態を用いた1×2光スプリッタ, レーザー研究, Vol. 53, No. 5, to be published.
X.-X. Wang, S. Okada, T. Maekawa, L. Hu, X. Hu, T. Amemiya, Interferometry switching effect in silicon topological photonics, The Conference on Lasers and Electro-Optics 2025 (CLEO 2025), May 2025.
L. Hu, S. Okada, Q. Wang, X.-X. Wang, X. Hu, T. Amemiya, Circular polarization splitter using topological photonics, The Conference on Lasers and Electro-Optics 2025 (CLEO 2025), May 2025.
Q. Wang, L. Hu, X.-X. Wang, S. Okada, X. Hu, T. Amemiya, Transfer learning for optimizing topological Z-bending waveguide, The Conference on Lasers and Electro-Optics 2025 (CLEO 2025), May 2025.
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.
- Xing-Xiang Wang, Sho Okada, Towa Maekawa, Liyan Hu, Xiao Hu, Tomohiro Amemiya, Interference and Switching Effect of Topological States in Silicon Photonics, 第72回応用物理学会春季学術講演会, 15p-K505-18, Mar. 2025.
- Qianshuo Wang, Liyan Hu, Xing-Xiang Wang, Sho Okada, Xiao Hu, Tomohiro Amemiya, Transfer Learning for Optimizing Topological Z-bending Waveguide,第72回応用物理学会春季学術講演会, 15a-K505-8, Mar. 2025.
- 甲斐 航, 林 文博, 張 成昆, 吉見 拓展, 雨宮 智宏, 太田 泰友, 岩本 敏, 中川 茂, バレートポロジーを活用した円偏光生成器の作製と評価,第72回応用物理学会春季学術講演会, 14p-K505-10, Mar. 2025.
- 雨宮 智宏. トポロジカルフォトニック構造における光伝搬とデバイス応用, 第3回超高速光エレクトロニクス研究会, Aug. 2024.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：2件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件