超高非線形、及び、任意光空間状態生成応用のためのトポロジカルファイバの研究

• Project/Area Number: 23K17754
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 藤澤 剛 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (70557660)
• Project Period (FY): 2023-06-30 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2025: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2024: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: トポロジカルファイバ / フォトニック結晶ファイバ / 非線形光学効果

Outline of Research at the Start

トポロジカルな光閉じ込めモードを有するファイバ構造（トポロジカルファイバ）、そして、その非線形応用、及び、任意光空間状態生成応用の可能性を探る。特に、トポロジカルに異なる二つのフォトニック結晶を、角を有するように隣接させた空孔型トポロジカルファイバのコーナーモード存在条件を詳細に研究し、従来の全反射による光閉じ込めでは実現することのできない、超強光閉じ込めファイバ構造を探索する。さらに、そのファイバにツイストを加え、捻じれた空間の中を光が伝搬する際に獲得する幾何位相が存在するときのモードの伝搬特性を解析し、トポロジカルモードを用いた任意の光空間状態生成ファイバを研究する。

Outline of Annual Research Achievements

R5年度は、研究実施計画記載項目のうち、以下の点について検討を行った。
1．空孔型フォトニック結晶ファイバのトポロジカルモードの物理解明：研究計画に則り、トポロジカルファイバの閉じ込めモードの物理を解明するべく、まずは面外伝搬のバンド構造計算を行った。ホストとなる高非線形ガラスに、正方格子状に周期的な四角の空孔を有する空孔型フォトニック結晶ファイバと、 空孔型との特性を対比するべく、ホストとなる通常ガラス中に、四角の高屈折率誘電体ピラーを有する構造の面外伝搬のバンド構造を詳細に調査した。その際、格子の中央に空孔（またはピラー）がある場合、及び、それを半周期ずらした、格子の４隅に４分の１の空孔（またはピラー）がある場合のバンド構造を調査した。量子情報通信において重要な波長帯となる800nm帯において、適切な格子間隔に設定することで、バンドギャップが開くことをつきとめた。また、空孔型においては前者において、ピラー型においては後者において、Γ点、X点において周期ブロッホ関数のパリティが反転していることを明らかにした。これはつまり、空孔型と、ピラー型で、トポロジカルモードを発現させるための格子の配置が異なることを意味する。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実施計画に記した3つの内容のうち、最初の一つについてはほぼ予定通りの結果を得た。よって、おおむね順調に進展している、と判断した。

Strategy for Future Research Activity

トポロジカルファイバを構成する格子構造の面外伝搬バンド構造解析はほぼ終了した。その結果をもとに、特に空孔型フォトニック結晶ファイバについて、トポロジカルモードを有するファイバ断面構造を特定するのが次のステップとなる。R5年度の研究により、空孔型においてトポロジカルとなる格子構造が判明したので、トポロジカルな格子とトリビアルな格子を組み合わせて、格子間に存在するトポロジカルコーナーモードを特定するのがR6年度の目標となる。