トポロジカルフォトニック結晶のテラヘルツへの展開

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本研究では，研究代表者らが世界に先駆けて開拓してきた世界最小損失のテラヘルツフォトニック結晶回路技術に物質科学に変革をもたらしているトポロジカルな性質を与えることで飛躍的な発展をはかり，テラヘルツ波を利用した通信やセンシングなどの応用を切り拓くことを目指している．トポロジカルフォトニック結晶では周期構造中に界面を形成すると，それが伝送路として働く伝搬状態を生成される．そのような伝送路では，テラヘルツ波のトポロジカルな性質によって，通常の伝送路では生じる曲げ，分岐およびフィルタ構造における後方散乱の抑制効果が期待できる．トポロジカルフォトニック結晶の基本構造として，トポロジカルな性質の起源といえる電磁波に対する擬スピン状態を生成可能な大小の三角空孔をシリコンスラブに六員環状に周期的に配置した構造を採用した．その際，高い抵抗率を有するシリコンを利用することでテラヘルツ帯で課題となる吸収損失を抑制した．そして，フォトリソグラフィ，プラズマエッチングといった微細加工技術で利用することで実験用の試料を作製した．曲げ構造が伝送特性に与える影響を曲げ回数の異なる伝送路を比較することで検証した．曲げ回数を増加させてもトポロジカルな性質を反映し，群遅延の周波数特性で決まる低分散帯域および透過率の3 dB帯域がほとんど変化しないという結果が得られた．分岐構造に関して，異なる種類の界面による電磁界分布の対称性の違いを考慮することでその設計に成功した．トポロジカルな性質を反映し，分岐1回あたりの損失は0.3 dB以下となった．さらに，異なる種類の界面を有する伝送路を並列に配置すると，通常の伝送路とは異なり，逆方向に伝搬する電磁波が結合し，モードギャップが生じることでフィルタとして動作することを見出した．