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

巨非线性折射率及其惠更斯偶极子在硅米氏谐振器中的应用

基本信息

批准号：
22K18987
负责人：
高原淳一
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

我们发现硅 (Si) 米氏谐振器中的非线性光学常数 (n2) 比本体中的非线性光学常数 (n2) 增加了 100,000 倍，并表明这是一种热光效应。然而，该谐振腔的结构并未优化，对连续激光（波长592 nm）的吸收率仍然较低，为A~0.3。我们的目标是提高吸收率并在低功率下引起大的非线性光学散射。在这项研究中，我们试图通过基于简并临界耦合（DCC）原理的米氏谐振器阵列形成完美吸收器（PA）来最大化光热转换效率。这项研究是与大阪大学和国立台湾大学（NTU）的 Shi-Wei Chu 教授合作进行的。在大阪大学，我们提出了结构概念并进行了模拟、制造了设备并测量了基本光谱，而在南洋理工大学，我们进行了超高速显微光谱分析。结果如下。 1）生成电偶极子（ED）和磁偶极子（MD）在米氏谐振器中简并的惠更斯偶极子（HD），并改变谐振器尺寸和周期来控制辐射损耗。这样，通过匹配ED/MD的辐射损耗和材料损耗，实现了PA。研究发现，在PA谐振条件下，热光效应发生效率很高，因此非线性散射产生的功率可降低至1/10。 2）使用可以吸收所有波长的光的石墨烯，我们尝试扩展DCC条件，该条件之前仅限于Si的可见光范围。研究发现，通过将石墨烯耦合到 Si Mi 谐振器上，即使在近红外区域也可以实现 PA。