超高Q値微小光共振器を用いた二次元材料の非線形光学効果の発現

使用超高Q值微观光学谐振腔表达二维材料中的非线性光学效应

• 批准号: 22K14625
• 负责人: 藤井 瞬
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14625/
• 关键词: 微小光共振器; 二次元材料; 非線形光学変換; 高Q値微小光共振器; 非線形光学効果

光ファイバー先端にアーク放電によって超高Q値シリカ微小光共振器を作製した．その共振器表面に機械的剥離法によって得られた単層から三層程度の半導体二次元材料を精密な位置アライメントを行うことで転写することに成功した．また転写前後のQ値（光学損失）を実験的に評価することで，大きなQ値の劣化なく，表面上に二次元材料が転写されていることが確認できた．また，二次元材料から所望の形状，層数を見つけるために，自動ステージと光学顕微鏡からなる二次元材料自動検出システムの開発を進めた．二次元材料を転写したシリカ微小光共振器を光ナノファイバーを介して共鳴励起し，透過光を分光測定する必要があるため，ツェルニ・ターナー型分光器と冷却CCD検出器からなる高感度検出システムを構築した．これらの実験系を用いることで，微小光共振器と二次元材料の強い相互作用によって生成した微弱信号を高効率に検出，分光することが可能になった．励起連続光レーザーの波長を精密に制御し，光共振器の共鳴波長に合わせることで二次元材料由来の非線形光学効果が発生していることを実験的に観測した．これはシリカ材料で作製された微小光共振器のみでは決して実現しない現象であり，当初の狙い通りの結果が得られていることを確認できた．関連研究として，微小光共振器の共振波長を大きくチューニングするため，ペルチェ素子を用いた温度調整機構の開発にも取り組んだ．室温より30-40K高い温度まで連続的に共振波長が可変できることを実験的に実証し，マイクロ光コムとよばれる高繰り返し超短パルス光源への応用可能性を示すことにも成功した．また，光ナノファイバーと光共振モードの光結合効率に関する理論モデルを新たに提唱し，実験とよく一致することを確かめた．これらの成果は国際学術論文誌で発表を行った．

超高的Q值二氧化硅微光学谐振器是通过光纤尖端的电弧排放来制造的。我们成功地将二维半导体材料从通过执行精确的位置比对在谐振器表面上获得的一层转移到三层。此外，通过在转移之前和之后通过实验评估Q值（光损失），可以证实将二维材料转移到表面上，而不会显着降低Q值。此外，为了找到二维材料的所需形状和层数，我们一直在开发一个由自动阶段和光学显微镜组成的自动二维材料检测系统。由于有必要通过光学纳米纤维和传输光的光谱汇总二氧化硅显微镜光谐振器，因此构建了由Zerni-Turner光谱仪和冷却的CCD检测器组成的高度敏感检测系统。通过使用这些实验系统，已经有可能检测并探索由微光谐振器与具有高效率的二维材料之间的强相互作用产生的弱信号。我们在实验上观察到，通过精确控制激发连续光学激光器的波长并调节光谐振器的谐振波长来产生源自二维材料的非线性光学效应。使用二氧化硅材料制成的微型光谐振器永远无法使用这种现象，并且可以证实结果是最初预期的。作为一项相关研究，我们还致力于使用Peltier元素来开发温度控制机制，以很大程度上调整微型谐振器的谐振波长。我们通过实验表明，共振波长可以连续变化，比室温高30-40k，并且还成功证明了将其应用于高度重复的超短脉冲光源，称为微光梳。我们还提出了一种新的理论模型，用于光学纳米纤维和光学共振模式的光耦合效率，并确认它与实验非常吻合。这些结果发表在国际学术期刊上。

项目成果

Versatile tuning of Kerr soliton microcombs in crystalline microresonators

• DOI: 10.1038/s42005-022-01118-4
• 发表时间: 2023-01-10
• 期刊: COMMUNICATIONS PHYSICS
• 影响因子: 5.5
• 作者: Fujii, Shun;Wada, Koshiro;Tanabe, Takasumi
• 通讯作者: Tanabe, Takasumi

Nonlinear frequency conversion in two-dimensional material integrated high-Q silica optical microresonators

二维材料集成高 Q 二氧化硅光学微谐振器中的非线性频率转换

• 发表时间: 2022
• 作者: S. Fujii;N. Fang;D. Yamashita;and Y. K. Kato
• 通讯作者: and Y. K. Kato

ソリトンマイクロコムの広範囲精密チューニング

孤子微梳的大范围精密调谐

• 发表时间: 2023
• 作者: Yu Boda;Naka Sadahito;Aoki Haruka;Kato Koichiro;Yamashita Daiki;Fujii Shun;Kato Yuichiro K.;Fujigaya Tsuyohiko;Shiraki Tomohiro;藤井瞬，和田幸四郎，菅野凌，熊崎基，木暮蒼真，加藤雄一郎，田邉孝純
• 通讯作者: 藤井瞬，和田幸四郎，菅野凌，熊崎基，木暮蒼真，加藤雄一郎，田邉孝純