阪大ら,Siナノ共振器で非線形光散乱を10万倍に

大阪大学と国立台湾大学は,単結晶シリコン(Si)から構成されたナノ光共振器において,自然の値と比べて10万倍もの極めて大きな非線形光学散乱がおきることを見出した(ニュースリリース)。

バルク単結晶シリコンがもともと持っている自然の非線形性は極めて小さいことはよく知られており,非線形性を出すためには超短パルスレーザーを用いてピーク強度を上げる必要があった。

また,シリコンの非線形性を人工的に大きくするためにマイクロリング共振器やフォトニック結晶のようなマイクロメートル程度の大きさの構造に光を閉じ込めることで,非線形性を出す研究が行なわれてきた。しかし,このようなマイクロ構造は複雑で光の波長よりも大きく,光は長い距離の伝搬が必要になるなど作製や動作には多くの問題があり,もっとシンプルな方法が求められていた。

研究グループは連続レーザー光を立方体型のシリコンナノ共振器に照射して,その散乱光スペクトルを実験的に調べた。そこでパワーが105W/cm2の光ビームをあてると散乱光強度が飽和する非線形光学散乱がおきることを発見した。これは従来から知られていたバルクシリコンで非線形光学散乱が生じるとされるパワーの10万分の1と極めて低い。

また,この飽和現象のふるまいは共振器のサイズにより変化し,比例直線から正にずれる場合と負にずれる場合の2タイプがあることもわかった。

光の波長と同程度のサイズのナノ構造体に光を当てると,ミー共振によって特定波長の光が共鳴的に散乱される。このとき光の一部は共振器内に強く閉じ込められるために,内部に数百℃におよぶ急激な温度上昇が起こる。その結果,熱光学効果によって屈折率が変化することにより,散乱強度が直線から大きくずれるという。

一方で,光共振器の体積が0.001µm3と小さいために蓄えられている熱量は少なく,レーザーをOFFにすると即座に基板へ放熱される。これにより592nmの光を制御光としてON/OFFすることで,543nmの信号光の散乱強度が変調される光・光スイッチングを実現した。

この研究は誘電体メタサーフェスの光散乱の基礎研究からうまれたものであり,メタマテリアルと顕微イメージングおよびシリコンフォトニクスとの融合分野といえる。これまでもマイクロ共振器やフォトニック結晶を用いることにより非線形性を増大できることが実証されてきたが,この成果はそれを大きく超えることから研究グループでは,受容性が増す光デバイス等への応用が期待されるとしている。

その他関連ニュース

  • 産総研,1.25億Gb/s・10万ポート超光スイッチ実証 2021年06月04日
  • 農工大ら,均一温度でも発電する熱電変換素子提案 2021年05月14日
  • 農工大,THzに対し高屈折率・無反射な材料を開発 2021年04月30日
  • 東北大,THzを制御するメタマテリアルを開発 2020年12月03日
  • 慶大,シリコン上に通信波長帯CNT光源を作製 2020年08月18日
  • 京大ら,高次高調波光の発生に新たな知見 2020年07月29日
  • 原研ら,非線形光学で大強度陽子ビームを制御 2020年07月22日
  • 京大ら,レーザーで高次高調波光の偏光特性を操作 2020年06月18日