Selective control of multipole in Silicon Mie resonator and infrared metasurface devices

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H02630
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Takahara Junichi 大阪大学, 工学研究科, 教授 (90273606)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: メタマテリアル / メタサーフェス / ミー共振 / シリコン / 二酸化バナジウム / 多重極子 / 完全吸収体

Outline of Final Research Achievements

We conducted research on a light wave control method for a very thin planar optical element called a metasurface using single crystal silicon, and obtained the following results. We have found that 1) a highly sensitive refractive index detector and a complete absorber using only a dielectric are realized, 2) the effective nonlinear refractive index of silicon is enhanced by 100,000 times of the bulk due to the photothermal effect by Mie resonance. Applying this to optical / optical switching elements, and 3) proposal of optical modulation elements with a new principle using metal-insulator phase transition of vanadium dioxide.
These can be applied to high-sensitivity photodetectors, all-optical switching elements, adaptive radiative cooling elements.

Free Research Field

ナノフォトニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

現在、ムーアの法則に沿った電子集積回路の性能向上が限界にきており、シリコンフォトニクスと光インターコネクションによる低消費電力化が求められている。本成果はシリコンをベースとしているため低損失で、シリコンフォトニクスのとの整合性も良い。熱光学効果による光・光スイッチングは縦型の能動シリコンフォトニクス素子への新しい展開が期待できる。本成果はこれまでほとんど活用されてこなかった磁気双極子や四重極子を利用した具体的な素子の動作を実証したことで、学術的に意義があるだけでなくバイオセンシングや赤外光検出器などの応用にも新たな道を拓くといえる。