Photonic devices with subwavelength nano structure

具有亚波长纳米结构的光子器件

基本信息

批准号：
16J11232
负责人：
高島祐介
金额：
$ 0.83万
依托单位：
The University of Tokushima
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究はサブ波長ナノ構造中に励起される固有モードを利用し、紫外や可視域等の短波波長域における偏光・透過・反射等の光制御技術の確立および、本固有モードを用いた光変調・高感度センサーデバイス開発を目的としたものである。本年度は前年度結果をもとに光変調および磁気センサーデバイス試作とその性能評価を行った。有限時間領域差分(FDTD)法による電磁場解析の結果、構造中に励起されるモード数や位相状態が周囲と構造の屈折率差に非常に敏感に応答し、ナノ構造反射率や透過率を大きく変化させることが分かった。これより、ナノ構造材料自体の屈折率を制御できれば光変調デバイスや、材料や周囲屈折率変化の高感度検出が実現できることを明らかにした。電磁場解析に基づき、サブ波長ナノ周期構造の試作およびデバイス性能評価を行った。光変調器に関しては、構造にフェムト秒パルスレーザー(波長800nm, パルス幅130ps,繰り返し周波数1kHz)を照射した際の非線形効果を利用し、構造屈折率制御を行った。構造材料として大きな非線形性を持つGaNを用いた。作製した構造にフェムト秒レーザー照射した際のナノ構造透過率を評価した。その結果、非線形効果による構造屈折率の変化により、波長440nmにおいて約10%程度の透過率変化を確認できた。磁性体ナノ構造を用いて材料磁化による屈折率変化を利用した高感度磁気センサーの開発を行った。ナノ構造材料には強磁性体であるNiを用いた。作製した試料に直流磁場を印加し、反射スペクトル測定を行った。ナノ構造の反射スペクトルには固有モード同士の干渉に起因するピークが見られ、印加磁場強度の増加に伴い、そのピーク位置の長波長側へのシフトが観測された。そのシフト量は16pm/mTに達し、数mT程度の微小磁場検出が可能な磁気センサー開発に成功した。

本研究利用亚波长纳米结构中激发的本征模，建立紫外线和可见光区域等短波长区域的偏振、透射、反射等光控制技术，并利用这些本征模来调制光。・旨在开发高灵敏度传感器器件。今年，我们制造了一个原型光学调制和磁传感器设备，并根据前一年的结果评估了其性能。使用有限时域差分（FDTD）方法进行电磁场分析的结果是，结构中激发的模式数和相态数量对周围环境和结构之间的折射率差以及结构的反射率和透射率的响应非常敏感。我发现纳米结构会变大。这表明，如果可以控制纳米结构材料本身的折射率，就有可能创建光学调制装置并高度灵敏地检测材料及其周围环境的折射率变化。基于电磁场分析，我们制造了原型亚波长纳米周期结构并评估了器件性能。对于光调制器，利用飞秒脉冲激光（波长：800 nm，脉冲宽度：130 ps，重复频率：1 kHz）照射结构时的非线性效应来控制结构的折射率。结构材料采用具有较大非线性的GaN。我们评估了用飞秒激光照射所制造的结构时的纳米结构透射率。结果，确认了由于非线性效应引起的结构折射率的变化，在440nm波长处透射率发生约10%的变化。我们开发了一种使用磁性纳米结构的高灵敏度磁传感器，该传感器利用材料磁化引起的折射率变化。铁磁Ni被用作纳米结构材料。对制备的样品施加DC磁场并测量反射光谱。在纳米结构体的反射光谱中观察到由于本征模式之间的干涉而产生的峰值，并且随着施加的磁场强度的增加，观察到峰值位置向更长的波长移动。位移量达到16pm/mT，成功开发出能够检测数mT的微小磁场的磁传感器。