Giant nonlinear refractive index and applications by Huygens dipole in silicon Mie resonator

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。

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。