省電力光ルータの実現に向けた新規光論理ゲートの提案とその解析設計理論の構築

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本研究では，2次元フォトニック結晶ナノ共振器における非線形光学現象に着目することで，集積化，高速動作および低消費電力を同時に満足する光論理ゲートの基盤研究を推進することを目的としている．低消費電力な光論理ゲートを構成するためには，高いQ値かつ小さいモード体積をもつ光共振器を構成する必要がある．そうすることで共振器中の光と物質の相互作用が高まり，非線形光学効果を増強することができる．前年度までの研究では，微小光共振器を高精度に解析可能な3次元ベクトル有限要素法を開発するとともに，極めて小さいモード体積を達成する光共振器として，金属壁と1次元フォトニック結晶で挟み込んだ表面プラズモン共振器構造を提案した．次の段階として，このような微小共振器を多段に接続した導波路の非線形光学特性を厳密に評価可能な手法の構築が必要となる．そこで本年度の研究では，周期構造における非線形光学効果を評価するために，非線形モード解析のための3次元ベクトル有限要素法を開発した．さらに，計算コストを削減可能な非線形定数の評価手法を提案し，非線形モード解析のための3次元ベクトル有限要素法による結果とよく一致していることを示した．また，本年度の研究では，金属アシスト型シリコンスロット導波路を提案し，金属層を用いない従来のスロット導波路に比べ，低屈折率領域の光閉じ込め係数を2倍程度に向上できることを示した．スロット導波路の低屈折率層に非線形光学係数の高い材料を用いることで非線形光学効果を増強できることが知られていることから，従来構造を提案構造に置き換えることで，さらなる非線形光学効果の向上が期待される．このような知見は低消費電力光論理ゲートの高性能化において有用であると考えられる．