成果報告書詳細
管理番号20110000001338
タイトル平成18年度~平成22年度成果報告書 低損失オプティカル新機能部材技術開発
公開日2011/9/9
報告書年度2006 - 2010
委託先名財団法人光産業技術振興協会 国立大学法人東京大学 株式会社リコー
プロジェクト番号P06020
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約平成18年6月に開始した本プロジェクトは、平成20年度までに中間目標を達成した。そして同年11月の中間評価結果を受けて、最終目標達成に向けての方策と達成レベルを明確にして邁進してきた結果、基本計画・実施計画に挙げた目標をすべて達成した。以下、成果概要を報告する。 1.基盤技術研究開発:ナノ構造部材シミュレーション技術として、モデルの対称性を利用して計算を簡略化できる厳密結合波解析RCWA法を検討し、3次元金属ナノ構造の偏光特性を精度良くシミュレーションできる事が可能となった。また、近接場光領域と伝搬光領域を統合したシミュレーション技術を開発し、FDTD法による計算結果をフーリエ変換して、Near-FieldからFar-Fieldへ変換し、伝播光領域における偏光状態を計算する手法を実現した。ナノ構造部材作製技術として、寸法50nm、精度10nm以下の3次元ナノ構造部材形成技術と消光比1:10,000対応微小領域光学特性評価法を開発した。RGB全波長で消光比1:400以上、偏光透過率90%以上の偏光選択素子、波長680nmで無偏光入射に対する偏光透過率64%のAu/SiO2/Au構造偏光制御部材を設計、試作した。次に、光論理ゲート・化合物半導体量子ドット(QD)の形成技術を開発し、InAs量子ドットからの強いPL発光を室温で観測した。さらに、メサ構造単層QDを顕微PL観察し、第一準位(基底)発光半値幅11meVの室温世界最小線幅を確認した。ナノ構造部材評価技術として、プラズモンを評価する、チップ増強ラマン分光法、チップ増強レイリー散乱法、チップ増強発光法の3手法を提案し、チップ増強レイリー散乱法で空間分解能13nmを得た。また、金属ナノ構造の光学・形状特性を評価する、金ナノ構造充填CNTプローブと、伝搬光を効率よくカップリングするカンチレバー導光部を提案し、FDTD計算で、空間分解能2nm以下、信号コントラスト0.98を確認した。ナノ構造部材オプティカル新機能応用技術として、二層積層QDの作製と低ダメージエッチングを用いた素子加工を開発し、近接場光によるQD間のエネルギー移動を用いた、全光ナノスイッチ(NOTゲート)の室温動作(300K)に世界で初めて成功し、NEDOからプレスリリースした。また10nm程度の金ナノ粒子分散材料を用いた幅200nmの近接場光導波路を試作し機能を実証した。次にスポットサイズ変換導波路と微小金属構造からなる高効率変換素子を試作し、目標300nm以下のスポット径を実証した。 2.ナノ構造を用いた偏光制御部材研究開発:ナノ構造を用いた偏光制御部材設計技術として、提案された種々の偏光制御構造の各偏光のスペクトル特性をRCWA法とFDTD法とでシミュレーションし、両方の結果がほぼ一致することを確認した。次に近接場光による低損失偏光制御機能の動作原理を現象論的に捉えた解析手法、数値シミュレーションと実測光学特性の一致精度の向上技術、ナノ構造部材の自動最適化手法等の設計技術を開発し、プロジェクト数値目標を達成する偏光制御部材の材料、構成・構造、寸法を最適設計した。ナノ構造を用いた偏光制御部材作製技術として、上記最適設計したナノ構造を実現する金属材料の高精度微細加工技術、高アスペクト比構造作製技術、および高透過率、高消光比を実現する積層化技術を確立した。これらの開発技術を基盤とし、積層型偏光制御部材を試作し、プロジェクト数値目標を達成し得る実測光学特性を得た。
英文要約Title: Innovative Nanophotonics Components Development Project (FY2006-FY2010) Final Report
1.Basic technology development: We confirmed an RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) simulator was useful to calculate polarization responses for various nanostructures. We developed an integrated computer simulation technique to connect the near-field region to far-field one for numerical analysis of far-field optical polarization characteristics. And we developed the transfer technique from optical near-field to far-field by Fourier transformation of the near-field FDTD calculation results. We developed 3D nanostructure fabrication technique under 50 nm size and 10 nm accuracy, and small areal optical measurement method for 1:10,000 extinction ratio. We prototyped a high quality wire-grid and polarizing structure with polarization transmittance of 64% for non-polarized light. We developed compound semiconductor quantum dot (QD) fabrication technique for optical logic gates. We observed strong and small linewidth PL luminescence at room temperature by optimizing the fabrication process. We proposed 3 types of evaluation methods for plasmon imaging with high spatial resolution, tip-enhanced Raman scattering, tip-enhanced luminescence, and tip-enhanced Rayleigh scattering methods. These spatial resolutions were about 80, 100 or less, and 13 nm respectively. We proposed a nanometer-resolution optical probe with a multiwall CNT in which gold nanostructures are intercalated. We calculated the spatial resolution and the signal contrast to be less than 2nm and 0.98, respectively. We fabricated optical logic gates that worked at room temperature by growing two layers of InAs QDs on a substrate and processing the substrate to form mesa structures. We developed a near field optical waveguide with metal nanoparticle dispersive materials. We made the waveguide with 200nm-width, and proved that it worked well. We fabricated a spot size converter with a metal nanostructure which converted propagation light to nearfield one. It reduced the spot less than 300nm in diameter. 2. Nanometer-structured polarizing components development : We simulated polarization properties for various nanostrucures by RCWA, and confirmed the RCWA results correspond with FDTD’s. We developed an analytic approach using phenomenological modeling, a technique for matching between numerical simulation and actual optical response, and automatic optimization method. Using these methods, we designed an optimal low-loss polarization plate beyond the project target. We developed a metal-fabrication technique with nanometric accuracy and high aspect-ratio, and developed a stacking technique of two nanometric metal structures. We fabricated a low-loss polarization plate with stacked nanometric metal structures, and obtained excellent optical responses beyond the project target. Moreover, we developed a nanofabrication technique using wafer-level process, and achieved to fabricate a low-loss polarization plate with large area over 10mm square.
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