超高Q値微小光共振器を用いた二次元材料の非線形光学効果の発現
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22K14625
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
藤井 瞬 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (80897950)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
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| Keywords | 微小光共振器 / 二次元材料 / 非線形光学変換 / 高Q値微小光共振器 / 非線形光学効果 |
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| Outline of Research at the Start |
超高Q値微小光共振器と二次元材料の融合によるナノスケール非線形フォトニクスの開拓を目指す．高い光の閉じ込め性能（高Q値）を有するマイクロ共振器とよばれる微小デバイスを用いることで，非常に弱い光励起でも様々なの非線形光学効果を発現できることが知られている．この素子を原子数層程度の厚みしか持たない二次元材料と組み合わせることで，従来観測されてこなかった非線形光学物性を発現させることを狙う．超高Q値微小光共振器の非線形フォトニクスを，ナノ材料の光学特性評価，顕微分光技術と組み合わせることで，二次元材料の新たなナノフォトニクスの開拓への足がかりとする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
光ファイバー先端にアーク放電によって超高Q値シリカ微小光共振器を作製した．その共振器表面に機械的剥離法によって得られた単層から三層程度の半導体二次元材料を精密な位置アライメントを行うことで転写することに成功した．また転写前後のQ値（光学損失）を実験的に評価することで，大きなQ値の劣化なく，表面上に二次元材料が転写されていることが確認できた．また，二次元材料から所望の形状，層数を見つけるために，自動ステージと光学顕微鏡からなる二次元材料自動検出システムの開発を進めた．
二次元材料を転写したシリカ微小光共振器を光ナノファイバーを介して共鳴励起し，透過光を分光測定する必要があるため，ツェルニ・ターナー型分光器と冷却CCD検出器からなる高感度検出システムを構築した．これらの実験系を用いることで，微小光共振器と二次元材料の強い相互作用によって生成した微弱信号を高効率に検出，分光することが可能になった．励起連続光レーザーの波長を精密に制御し，光共振器の共鳴波長に合わせることで二次元材料由来の非線形光学効果が発生していることを実験的に観測した．これはシリカ材料で作製された微小光共振器のみでは決して実現しない現象であり，当初の狙い通りの結果が得られていることを確認できた．
関連研究として，微小光共振器の共振波長を大きくチューニングするため，ペルチェ素子を用いた温度調整機構の開発にも取り組んだ．室温より30-40K高い温度まで連続的に共振波長が可変できることを実験的に実証し，マイクロ光コムとよばれる高繰り返し超短パルス光源への応用可能性を示すことにも成功した．また，光ナノファイバーと光共振モードの光結合効率に関する理論モデルを新たに提唱し，実験とよく一致することを確かめた．これらの成果は国際学術論文誌で発表を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
転写装置，光ナノファイバー，分光器，高感度検出器を組み合わせた独自の実験系を構築し，実験サンプルの作製から実験的な評価までを一貫して行う環境を整えた．さらにその実験系を用いて，微小光共振器の強力な光電場が染みだし場を介して，二次元材料と強く相互作用することを実験的に実証することに成功した．このように超高Q値微小光共振器と原子数層の厚みをもつ二次元材料の組み合わせによる非線形光学の発現という狙いは当初の実施計画以上に進展しているといえる．また，光共振器の温度制御機構や光結合効率の理論モデルの提唱といった関連研究にも取り組み，学会や学術誌上で複数の成果発表を行った．
以上より，本研究計画は当初の予定以上に順調に進展しているものといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の狙い通りに順調に進展しているため，さらなる研究の発展を目指し，追加の実験や詳細な解析を中心に進める予定である．特に観測された非線形光学現象には半導体二次元材料の光バンドギャップに由来する信号が実験的に観測されており，これは当初想定していなかった興味深い実験結果である．これらを詳細に調査することで，新たな物理の解明につながることが期待される．
また，得られた成果を学術論文としてまとめて発表する予定である．
関連研究として行った微小光共振器の共振モードのチューニングにもさらなる改良を加えて研究を発展させる．熱的な制御よりもより高速なチューニングを実現する系を構築し，実験的に実証する．これらの開発を通して励起レーザーの波長制御を必要としない新たな機構を実現し，将来の応用，社会実装をも見すえた研究を行う．
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
