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歪フォトニック結晶における重力効果を用いた光操舵の研究

Research Project

Project/Area Number 23K23259
Project/Area Number (Other) 22H01991 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

北村 恭子  東北大学, 工学研究科, 教授 (40635398)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Keywords歪フォトニック結晶 / 光操舵 / 光軌跡の可視化
Outline of Research at the Start

「歪(ひずみ)フォトニック結晶」は、格子点が光の波長程度の周期で規則正しく配列されたフォトニック結晶において、その各格子点の位置や形状を周期配列から緩やかに変位・変形させた、格子歪を有する構造である。格子歪により、平均屈折率が一定の条件下でも光の軌跡を曲げることができる。これは、微分幾何学により、格子歪が光にとっての歪んだ空間を形成し、重力効果を与えると理解できる。本研究は、このような歪フォトニック結晶における重力効果を用いた光操舵を理論・実験により明らかにすることを目的とする研究である。

Outline of Annual Research Achievements

「歪(ひずみ)フォトニック結晶(DPC)」は、格子点が光の波長程度の周期で規則正しく配列されたフォトニック結晶(PC)において、その各格子点の位置や形状を周期配列から緩やかに変位・変形させた、格子歪を有する構造である。格子歪により、平均屈折率が一定の条件下でも光の軌跡を曲げることができる。これは、微分幾何学により、格子歪が光にとっての歪んだ空間を形成し、重力効果を与えると理解できる。
本研究は、DPCにおける重力効果を用いた光操舵を理論・実験により明らかにすることを目的としている。
2023年度は、DPC中の光伝搬の軌跡を実験的に可視化するため、Si DPCスラブの作製を行い、DPC表面のエバネッセント成分を量子ドットによる発光から検出する系を構築した。その結果、散乱の影響が比較的大きく出ると考えられるSi/DPC境界での発光は観測されたが、DPC内部を伝搬する光の検出に至らなかったため、Si DPCスラブへの結合効率に課題があることが明らかとなった。
また円筒対称なDPC構造について2次元電磁界シミュレーションにより検討を行い、これまでの倍程度の偏向角を有する光軌道が得られることを明らかにした。また、理論的に重力効果として記述可能な低周波数領域では、歪フォトニック結晶の分散関係はライトラインの下にあるため、Si DPCスラブ内に閉じこもるモードである。そこで、ライトラインの上に位置する高周波数での光軌道についての検討も行った。その結果、理論的に明示的な重力効果の記述は不可能な領域ではあるが、重力効果に類似した効果が得られていると考えられる光軌跡が得られ、かつ、大きく湾曲する軌道が得られることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究においては、DPC中の光伝搬の軌跡を実験的に可視化することに特に注力している。2022年度に世界情勢の影響により遅延した可視化実験であるが、2023年度は、ようやくSi DPCスラブを作製するに至り、また量子ドットを塗布して実験系に導入するに至った。実験については、結合効率の改善を含めて、引き続き試行錯誤を行っている。
一方で、電磁界シミュレーションによる光操舵に関する知見は、特にDPCを高周波数領域に展開することでこれまでに得られなかった大きな光湾曲軌道が得られることが明らかになるなど大きな進展があった。
以上のことから、全体としては「おおむね順調に進展している」と自己評価する。

Strategy for Future Research Activity

実験における課題は、Si DPCスラブへのレーザー光の結合に試行錯誤を繰り返しており、未だ所望の光結合を得られておらず結果として、光軌跡を可視化するに至っていないことにあると考えている。結合効率を上げるための治具やレンズドファイバーなどの導入などの実験系の工夫により課題を解決することを予定している。
高周波数領域でのDPCでの光伝搬については、大きな湾曲が見られたことから引き続き構造設計を行い、一方向性を持った周回軌道等の形成ができないかについても検討する。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Deflection of electromagnetic waves by pseudogravity in distorted photonic crystals2023

    • Author(s)
      Kanji Nanjyo, Yuki Kawamoto, Hitoshi Kitagawa, Daniel Headland, Masayuki Fujita, Kyoko Kitamura
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 108 Issue: 3

    • DOI

      10.1103/physreva.108.033522

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 高周波領域における歪フォトニック結晶中の光伝搬2024

    • Author(s)
      唐沢之辰, 河本悠暉, 大西綾乃, 山下兼一, 北村恭子
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 中心対称な歪フォトニック構造を用いた光湾曲軌道の形成2023

    • Author(s)
      大西綾乃、河本悠暉、北川均、北村恭子
    • Organizer
      電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会 6月研
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Study on bifurcating light trajectory in a distorted photonic crystal with multiple slip dislocations2023

    • Author(s)
      Yuki Kawamoto, Jinpei Hashizume, Hitoshi Kitagawa, and Kyoko Kitamura
    • Organizer
      2023 Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe - European Quantum Electronics Virtual Conferences (CLEO/Europe-EQEC 2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Beam Trajectory Steering by Distorted Photonic Crystals2023

    • Author(s)
      K. Kitamura, J. Hashizume, Y. Kawamoto, A. Onishi and H. Kitagawa
    • Organizer
      13th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] (光学)物質中の重力場方程式2023

    • Author(s)
      北川均、北村恭子
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] In-plane Light Trajectory Control by Distorted Photonic Crystals2023

    • Author(s)
      Ayano Onishi, Yuki Kawamoto, and Kyoko Kitamura
    • Organizer
      Photonic Device Workshop 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 歪フォトニック結晶の有効場理論:中心重力2023

    • Author(s)
      北川均, 大西綾乃, 北村恭子
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] フォトニック構造を用いた中心力場中の光軌道の数値計算に関する研究2023

    • Author(s)
      大西綾乃, 河本悠暉, 橋詰仁人, 北川均, 北村恭子
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Distorted Photonic Crystal -novel approach of beam trajectory control-2023

    • Author(s)
      K. Kitamura
    • Organizer
      Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (PECS), PECS-XIII
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Beam Trajectory Bending and Meandering by Distorted Photonic Crystal2022

    • Author(s)
      M. Honda, K. Nanjyo, J. Hashizume, H. Kitagawa and K. Kitamura
    • Organizer
      The 15th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO Pacific Rim, CLEO-PR)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 歪フォトニック結晶における歪効果の評価指標の提案:ソフトネス2022

    • Author(s)
      橋詰仁人, 河本悠暉, 北川均, 北村恭子
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 歪フォトニック結晶中の新奇光伝搬:すべり歪2022

    • Author(s)
      河本悠暉, 橋詰仁人, 北川均, 北村恭子
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 重力場下のMaxwell方程式:歪フォトニック結晶の有効場理論2022

    • Author(s)
      北川均, 北村恭子
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] すべり歪を有する歪フォトニック結晶中の新奇光伝搬2022

    • Author(s)
      河本悠暉, 北村恭子
    • Organizer
      第7回フォトニクスワークショップ
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] フォトニック結晶で一般相対性理論に基づく疑似重力効果を実現

    • URL

      https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2023/09/press20230929-04-photonic.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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