集積型THz高次高調波発生デバイスの開発

• Project/Area Number: 24K08292
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: Ichinoseki National College of Technology
• Principal Investigator: 山下 将嗣 一関工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (10360661)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2027: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2026: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: テラヘルツ電磁波 / 高次高調波発生 / グラフェン / 非線形光学 / 高次高調波 / ディラック電子系 / 周波数変換

Outline of Research at the Start

テラヘルツ(THz)技術は、イメージングや品質保証、ガスセンシング、超高速無線通信など様々な応用が期待されている。その実用化を促進する上で、小型で集積可能なTHz帯非線形光学デバイス開発が重要な課題となっている。グラフェンから報告されたTHz帯高次高調波発生(THz-HHG)は、Dirac電子の非線形ダイナミクスを起源とする非摂動論的非線形光学現象であり、集積型THz非線形光学デバイスとしての応用が期待されている。本研究では電場増強・相互作用長増大効果を実現するグラフェンTHz-HHGデバイスを開発し、低入力THz光に対する変換効率を劇的に向上させ、集積型THz非線形光学の開拓に取組む。

Outline of Annual Research Achievements

テラヘルツ(THz)技術は、イメージングや品質保証、ガスセンシング、超高速無線通信など様々な応用が期待されている。その実用化を促進する上で、小型で集積可能なTHz帯非線形光学デバイス開発が重要な課題となっている。グラフェンから報告されたTHz帯高次高調波発生(THz-HHG)は、強いTHz電場下におけるDirac電子の非線形ダイナミクスを起源とする非摂動論的非線形光学現象であり、そのTHz帯非線形光学定数は従来報告の10^5倍以上に及び、集積型THz非線形光学デバイスとしての応用が期待されている。一方で、単原子層 オーダーの相互作用長のためにTHz-HHGの変換効率は十分ではない。本研究では電場増 強・相互作用長増大効果を実現するグラフェンTHz-HHGデバイスを開発し、低入力THz光に 対する変換効率を劇的に向上させ、集積型THz非線形光学の開拓に取組む。
R6年度は、集積型THz-HHGデバイスを試作するために必要なグラフェンキャリアダイナミクスの電場依存性の解析をボルツマン方程式を用いたシミュレーションを行った。デバイス内の電場分布は、電磁界シミュレーション（解析解とFDTD）を用いて計算し、強電場下(1～1000 kV/cm)のDirac電子ダイナミクスのキャリア濃度依存性解析し、デバイスの非線形応答を極大化するキャリア濃度とTHz電場条件について検討した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

R6年度は、集積型THz-HHGデバイスを試作するために必要なグラフェンキャリアダイナミクスの電場依存性の解析をボルツマン方程式を用いたシミュレーションを行った。デバイス内の電場分布は、電磁界シミュレーション（解析解とFDTD）を用いて計算し、強電場下(1～1000 kV/cm)のDirac電子ダイナミクスのキャリア濃度依存性解析し、デバイスの非線形応答を極大化するキャリア濃度とTHz電場条件について検討した。

Strategy for Future Research Activity

R7年度は、R6年度のシミュレーションによる検討結果をふまえて、THz-HHG変換デバイスの試作を行う。R8～9年度にかけて、THz-HHG変換効率の実験的検証を行うとともに、理論との比較から、最適条件を検証して再試作を行い、変換効率の大幅な向上を実現する。