ナノフォトニック共振器

ナノフォトニック共振器またはナノキャビティは、数十から数百ナノメートルのサイズの光キャビティです。光キャビティはすべてのレーザーの主要コンポーネントであり、増幅された自然放出光またはASEと呼ばれるプロセスである正のフィードバックを介して光源の増幅を提供する役割を果たします。ナノフォトニック共振器は、通常のキャビティよりも本質的に高い光エネルギー閉じ込めを提供します。これは、光と物質の相互作用が強くなるため、共振器の品質係数が高い場合はレーザーしきい値が低くなることを意味します。 ^[1]ナノフォトニック共振器は、フォトニック結晶、シリコン、ダイヤモンド、または金などの金属で作成できます。

ナノキャビティ内のレーザーの場合、利得媒体からの自然放出（SE）はパーセル効果によって増強され、^{[2] [3] 、}これはキャビティの品質係数または- 係数を有効モードフィールド体積で割った値に等しい。したがって、光キャビティの体積を縮小すると、この係数が劇的に増加し、レーザー発振の入力電力しきい値を低下させる効果がある。^{[4] [5]これはまた、ナノキャビティ内の}利得媒体からの自然放出の応答時間も減少することを意味し、その結果、レーザーは励起開始後ピコ秒でレーザー発振の定常状態に達する可能性がある。したがって、ナノキャビティ内に形成されたレーザーは、そのポンプ源を介して非常に高速に変調することができる。現代の半導体レーザーデバイスの70倍を超える自然放出率の増加が実証されており、理論的なレーザー変調速度は100GHzを超え、現代の半導体レーザーよりも1桁高く、ほとんどのデジタルオシロスコープよりも高速である。^{[2]ナノフォトニック共振器はナノスケールフィルタ[6] [7]}やフォトニックチップ^[6]の作成にも応用されている。${\displaystyle Q}$${\displaystyle F=Q/V_{\text{mode}}}$

内部に収容される光の波長よりもはるかに大きいキャビティの場合、非常に高いQ 値を持つキャビティがすでに実現されています (約 125,000,000)。^[8]しかし、放射損失とキャビティ サイズが逆相関関係にあるため、光波長と同じサイズの高いキャビティを製造することは困難でした。^[1]光波長よりもはるかに大きいキャビティを扱う場合、光線経路が全反射条件またはブラッグ反射条件を満たすようにインターフェイスを設計するのは簡単です。光波長に近いサイズのはるかに小さいキャビティ内に閉じ込められた光の場合、光線光学近似からの偏差が大きくなり、伝播する光波ベクトルの 3 つの空間成分すべてに対して最適な反射条件を満たすキャビティを設計することは不可能ではないにしても、実行不可能になります。^{[1] [9]}${\displaystyle Q}$

レーザーでは、利得媒体がランダムに光を全方向に放射します。古典的なキャビティでは、パーセル係数で表されるキャビティの幾何学的非効率性のため、自発的に放射される光子の総数に対する単一のキャビティモードに結合される光子の数は比較的少なくなります。 [ ^10]このようなキャビティでのレーザー発振を変調できる速度は、式1で表される共振器の緩和周波数に依存します。 ${\displaystyle Q/V_{\text{mode}}}$

${\displaystyle R_{2}=(av_{g}P_{0})/\tau _{p}+\beta /(\tau _{p}\tau _{r0}/F)+(\beta N_ {0})/((\tau _{r0}/F)P_{0})(1/\tau _{\text{total}}-1/(\tau _{r0}/F))\,\,\,\,\,\,\,\,(1)}$

ここで、はバルク材料の固有キャリア放射寿命、は微分利得、は群速度、は光子寿命、はレーザー発振周波数、はパーセル効果によって増強される自然放出結合係数、は非放射寿命です。 が小さい古典的な共振器における最小パーセル効果の場合、式1の最初の項のみが考慮され、変調周波数を上げる唯一の方法は、ポンピング電力を増加して光子密度を上げることです。しかし、熱効果により変調周波数は実質的に約20GHzに制限されるため、この方法は非効率的です。^{[2] [11]}${\displaystyle \tau_{r0}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle v_{g}}$${\displaystyle \tau _{p}=Q/\omega _{L}}$${\displaystyle \omega_{L}}$${\displaystyle \beta}$${\displaystyle 1/\tau _{\text{total}}=F/\tau _{r_{0}}+1/\tau _{nr}}$${\displaystyle \tau_{nr}}$${\displaystyle F=Q/V_{\text{mode}}}$${\displaystyle P_{0}}$

高い を持つナノスケールの光子共振器では、有効モード体積が本質的に非常に小さいため、および が大きくなり、式 1 の項 2 と 3 はもはや無視できません。その結果、ナノキャビティは、熱による悪影響なしに、20 GHz よりはるかに高い周波数で変調された自然放出光と増幅自然放出光を効率的に生成するのに根本的に適しています。^{[2] [12]}${\displaystyle Q}$${\displaystyle V_{\text{mode}}}$${\displaystyle F}$${\displaystyle \beta}$

フォトニック結晶から作られたナノキャビティは、通常、フォトニック結晶スラブ構造に実装されます。このようなスラブは、通常、材料内の物理的な穴の周期的な格子構造を持ちます。スラブ内を伝播する光については、構造内の 屈折率の周期的な違いにより、これらの穴に反射界面が形成されます。

図に示す一般的なフォトニック結晶ナノキャビティ設計は、本質的には意図的な欠陥（空孔がない）を持つフォトニック結晶です。 光の波長と同程度の長さで屈折率が周期的に変化するこの構造は、特定の波長範囲で方向と方向のブラッグ反射条件を満たし、方向のスラブ境界は、誘電体境界での斜め反射により別の反射境界を作成します。 これにより、格子列の軸に沿った方向と方向で理論的に完全な波の閉じ込めが実現し、方向に沿って良好な閉じ込めが実現します。^{[6] [7]}方向と方向（結晶格子の方向）に沿ったこの閉じ込め効果は、ある範囲の周波数に対してのみ有効であるため、材料内の格子方向に伝播できない光子エネルギーの離散的なセットが存在することから、フォトニックバンドギャップと呼ばれています。 ^[6]ただし、この構造内を伝播する波の回折により、フォトニック結晶スラブ面内のキャビティから放射エネ​​ルギーが逃げます。格子間隔を調整することで、共振器内の定在波の境界条件を最適化し、損失を最小限に抑え、最高の共振器を実現できます。^[1]これらの従来の共振器の他に、書き換え可能および/または移動可能な共振器の例がいくつかあります。これらは、マイクロ浸透システム^[13]とフォトニック結晶内の単一ナノ粒子の操作によって実現されます。^{[14] [15]}${\displaystyle y}$${\displaystyle z}$${\displaystyle x}$${\displaystyle y}$${\displaystyle z}$${\displaystyle x}$${\displaystyle y}$${\displaystyle z}$${\displaystyle Q}$

金属は、光の波長と同等かそれより小さい構造内に光を閉じ込める効果的な方法でもあります。この効果は、共鳴光によって誘発される閉じ込められた表面プラズモン共鳴から生じます。共鳴光は、金チャネルやナノロッドなどのナノ構造の表面に閉じ込められると、電磁共鳴を誘発します。^[16]表面プラズモン効果は可視範囲で強くなります。これは、金属の誘電率が可視周波数で非常に大きく負であるためです。 ^{[17] [18]}可視範囲よりも高い周波数では、金属の誘電率はゼロに近くなり、金属は電場と磁場を集中させるのに役立たなくなります。^[18]この効果はもともと、金属アンテナと導波管が自由空間波長の数百倍も小さい場合がある無線およびマイクロ波工学で観察されました。同様に、可視光は、チャネル、チップ、ギャップなどを形成する金属構造によってナノレベルまで制限することができます。金は、反応性がなく、化学蒸着法での使用が容易なため、ナノファブリケーションにも便利な選択肢です。^[19]

平面ナノキャビティは、数ナノメートル以下の厚さの吸収性半導体フィルムと、同じく数ナノメートルの厚さの金属フィルムで構成されています。^[7] 入射光は両方の層で吸収され、反射されます。吸収された光は2つの界面間で共鳴し、各サイクルの後にいくらかの光が透過します。吸収層にはゲルマニウムが一般的に使用されますが、金、アルミニウム、酸化アルミニウムも代替として使用されます。^[7] 平面ナノキャビティは、薄膜干渉によく使用されます。薄膜干渉は、薄膜の上部境界と下部境界で反射された入射光波が互いに干渉して新しい波を形成するときに発生します。この例としては、表面上の薄い油層によって生成されるカラフルなパターンがあります。色の違いは、油層の上部境界から反射されるか下部境界から反射されるかに関係なく、反射光が移動する距離のわずかな違いによるものです。この差は光路差、つまり上部反射経路と下部反射経路の距離の差と呼ばれ、式2で計算できます。

${\displaystyle {\text{OPD}}=2nd\,{\text{cos}}(\theta )\,\,\,\,\,\,\,\,\,(2)}$

${\displaystyle {\text{OPD}}=m\lambda \,\,\,\,\,\,\,\,\,(3)}$

ここで、は吸収性材料の屈折率、は吸収性フィルムの厚さ、 は反射角です。式 3 で表されているように、光路長差 (OPD) は薄膜内で建設的に干渉する波長と関連しています。その結果、さまざまな角度でフィルムに入る光は、さまざまな量で干渉し、狭帯域光の場合は強度勾配、白色光の場合はスペクトル勾配を生成します。 ${\displaystyle n}$${\displaystyle d}$${\displaystyle \theta}$

ナノフォトニック回路設計は、マイクロ波回路や無線回路に外観が似ていますが、100,000分の1以下に縮小されています。研究者らは、無線アンテナの設計と機能をエミュレートするナノ光アンテナを作成しました。^[16]ナノフォトニクスと縮小されたマイクロ波回路の間には、多くの重要な違いがあります。光周波数では、金属は理想的な導体のようには動作せず、運動インダクタンスや表面プラズモン共鳴などのプラズモン関連の効果も示します。^[20]ナノアンテナはナノスコピック整流アンテナであり、光を電力に変換するために開発されている技術です。この概念は、ワイヤレス電力伝送に使用されるレクテナに基づいています。レクテナは、電波を直流電気に変換するために使用される特殊な無線アンテナのように機能します。光は電波のような電磁波で構成されていますが、波長がはるかに短いです。ナノフォトニック共振器の応用であるナノアンテナは、光の波長サイズのオーダーのナノスケールレクテナであり、光の「アンテナ」として機能し、光を電気に変換します。ナノアンテナのアレイは、太陽光を電力に変換する効率的な手段となり、半導体バンドギャップ太陽電池よりも効率的に太陽エネルギーを生成することができます。^[20]

ナノフォトニック共振器をマルチコアチップで使用することで、サイズを縮小し、効率を高めることが提案されている。^{[21]これは、特定の波長の光を互いに伝送できるナノフォト}ニック光リング共振器 のアレイを作成することによって行われます。コンピューターでのナノフォトニック共振器のもう1つの用途は、光RAM（O-RAM）です。O-Ramは、光子とキャリアの強力な閉じ込めなどの特性を持つフォトニック結晶スラブ構造を使用して、電気回路の機能を置き換えます。電気信号ではなく光信号を使用すると、消費電力が66.7％減少します。^[22]研究者は、干渉効果を使用して90％のピーク吸収に達することができる平面ナノキャビティを開発しました。この結果は、特にエネルギー変換において、これらの発見から恩恵を受けることができるアプリケーションが多数あるという点で有用です^[7]