Giant nonlinear refractive index and applications by Huygens dipole in silicon Mie resonator
| Project/Area Number |
22K18987
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高原 淳一 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (90273606)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | 熱光学効果 / メタサーフェス / 非線形屈折率 / ミー共振器 / ホイヘンスダイポール |
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| Outline of Research at the Start |
バルク単結晶シリコン（c-Si）の非線形性は小さく、超短光パルスとシリコン光導波路により光電場を増強する必要があった。最近、我々はc-Siミー共振器の熱光学効果により非線形屈折率n_2がバルクより5桁増大する現象を見出した。
本研究の目的は本現象を用いて、波数整合が不要で低パワーの連続（cw）光で動作する全く新しい非線形光学素子を実現することである。電気双極子（ED）と磁気双極子（MD）を縮退化させたホイヘンスダイポール（HD）や四重極子を用いてQ値の高い完全吸収体を実現し、熱光学効果によりn_2をさらに増大させる。これにより高速光・光スイッチなどへの応用の基礎を築き、熱非線形光学を創生する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々はシリコン（Si）ミー共振器においてバルクの１０万倍もの非線形光学定数（n2）の増大を見出し、これが熱光学効果であることを示した。しかし、この共振器の構造は最適化されおらず、cwレーザー光（波長592nm）における吸収率はA～0.3と低いままにとどまっていた。我々は吸収率を向上させ低パワーで大きな非線形光学散乱を起こすことをめざした。本研究では縮退臨界結合（Degenerate Critical Coupling: DCC）の原理に基づいて、ミー共振器アレイから完全吸収体（Perfect Absorber: PA）を形成することにより、光熱変換効率を最大化することを試みた。
本研究は大阪大学と国立台湾大学（NTU）のShi-Wei Chu教授との共同研究により行った。大阪大学では構造の概念提案とシミュレーション、素子作製および基本的な光学スペクトルの計測を行い、NTUでは超高速顕微分光を行った。結果は以下の通りである。
１）ミー共振器中で電気双極子（Electric Dipole: ED）と磁気双極子（Magnetic Dipole: MD）が縮退したホイヘンス・ダイポール（Huygens Dipole: HD）を生成し、共振器サイズと周期を変えて放射損失を制御する。これによりED/MDの放射損失と材料損失を整合させることにより、PAを実現した。PAの共振条件においては熱光学効果が高効率におきるために、非線形散乱の発生パワーを1/10に低減できることがわかった。
２）あらゆる波長の光を吸収することができるグラフェンを利用してこれまでSiでは可視域のみに制限されていたDCC条件の拡張を試みた。グラフェンをSiミー共振器上にのせる結合させることで、近赤外域においてもPAを実現できることがわかった。
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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
NTUとの国際共同を通じてホイヘンス・ダイポール（HD）によるPAを実現し、過去の素子と比較して熱光学効果の発生閾値を１桁低減させることに成功した。本成果は国際共著論文（Nanophotonics誌）として出版した。また、本研究の過程で予期せず四重極子のHDを利用した縮退臨界結合による反射スペクトルが入射角度依存性が少なくなることを見出した。本成果の論文発表（APEX誌）を行ったところ、原理的に重要な進歩であることから高い評価を受け、APEX誌のSpoltlights 2022に選出された。
また、国際交流の面でもNTUからの学生１名を大阪大学に受け入れ、当研究室に１か月間滞在して共同研究を行うことができた。
以上のことから、当初の予想を超えて進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在、デバイスの動作波長は可視592nmであるが、これを近赤外域まで長波長化し、最終的には光通信波長帯（1.55ミクロン）にすることを目指す。しかし、近赤外域ではシリコンのバンド間吸収がなく、固有損失が低すぎるために、DCCの原理に基づいたPAが実現できない。この問題を解決するため、ミー共振器中への閉じ込めが強く、放射損失の低いとトロイダル電気双極子（Troidal Electric Dipole: TED）モードを利用する方針である。TEDモードを効率よく生成・制御することのできるミー共振器構造を設計し実現することをめざす。
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Report
(1 results)
Research Products
(10 results)
