ポラリトニクス

ポラリトニクスは、フォトニクスとサブマイクロ波エレクトロニクスの中間領域です(図 1 を参照)。この領域では、信号は電流や光子ではなく、フォノンポラリトンと呼ばれる電磁波と格子振動波の混合物によって運ばれます。フォノンポラリトンは数百ギガヘルツから数テラヘルツの範囲の周波数で伝搬するため、ポラリトニクスはエレクトロニクスとフォトニクスの間のギャップを埋めます。ポラリトニクスの強力な動機は、高速信号処理と線形および非線形テラヘルツ分光法の需要です。ポラリトニクスは、単一のパターン化された材料でテラヘルツ波の生成、誘導、操作、および読み出しをサポートする完全に統合されたプラットフォームの可能性を提供するという点で、エレクトロニクス、フォトニクス、および従来のテラヘルツ分光法に比べて明確な利点があります。

ポラリトニクスは、エレクトロニクスやフォトニクスと同様に、堅牢な波形生成、検出、誘導と制御という 3 つの要素を必要とします。これら 3 つがなければ、ポラリトニクスは単なるフォノン ポラリトンに縮小され、エレクトロニクスやフォトニクスは単なる電磁放射に縮小されます。これらの 3 つの要素を組み合わせることで、エレクトロニクスやフォトニクスと同様のデバイス機能を実現できます。

ポラリトンデバイスの機能を説明するために、図 2 (右) の仮想回路について考えてみましょう。結晶の左上と右下でフォノンポラリトンを生成する光励起パルスは、結晶面に対して垂直 (紙面内) に入ります。結果として生じるフォノンポラリトンは、励起領域から離れて横方向に移動します。導波路への進入は、反射構造と集束構造によって促進されます。フォノンポラリトンは、結晶に刻まれたテラヘルツ導波路によって回路内を誘導されます。回路機能は、回路の上部にある干渉計構造と、回路の下部にある結合導波路構造にあります。後者は、結合導波路に双安定性を提供できる欠陥 (黄色) を持つフォトニックバンドギャップ構造を採用しています。

強誘電体結晶で生成されたフォノンポラリトンは、強誘電体結晶の高誘電率のため励起パルスに対してほぼ横方向に伝搬し、フォノンポラリトンを生成した励起パルスから簡単に分離できます。したがって、フォノンポラリトンは励起領域から結晶の他の部分に移動するため、直接観察したり、コヒーレント操作したりできます。横方向の伝搬は、生成と伝搬が単一の結晶で行われるポラリトン プラットフォームにとって最も重要です。チェレンコフ放射のようなテラヘルツ波応答を完全に処理すると、一般に、多くの場合に考慮しなければならない前方伝搬成分もあることがわかります。

フォノン-ポラリトンの伝搬を直接観察することは、実空間イメージングによって可能になりました。実空間イメージングでは、フォノン-ポラリトンの空間的および時間的プロファイルが、タルボット位相振幅変換を使用してCCD カメラ上に画像化されます。これ自体が驚くべきブレークスルーでした。電磁波が直接画像化されたのはこれが初めてであり、岩が水面を落下するときに池にできるさざ波のように見えます (図 3 を参照)。実空間イメージングは​​ポラリトニクスで好まれる検出技術ですが、光カー ゲーティング、時間分解回折、干渉プローブ、テラヘルツ場誘起第二高調波発生などの他のより従来的な技術は、実空間イメージングを簡単に使用できない一部のアプリケーションで役立ちます。たとえば、数十マイクロメートルのオーダーの特徴サイズを持つパターン化された材料は、イメージング光の寄生散乱を引き起こします。フォノンポラリトンの検出は、前述のようなより従来的なプローブを結晶の傷のない領域に集中させることによってのみ可能になります。

ポラリトニクスに必要な最後の要素は、誘導と制御です。結晶面と平行な完全な横方向の伝搬は、フォノン ポラリトン波長程度の厚さの結晶内にフォノン ポラリトンを生成することで実現されます。これにより、伝搬は 1 つ以上の利用可能なスラブ導波モードで行われるようになります。ただし、これらのモードでの分散はバルク伝搬での分散とは根本的に異なる場合があり、これを利用するには分散を理解する必要があります。

フォノン-ポラリトン伝搬の制御と誘導は、導波、反射、回折、分散要素、およびホスト結晶に直接統合できるフォトニック結晶と有効屈折率結晶によっても実現できます。ただし、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、およびその他のペロブスカイトは、材料パターン化の標準技術を通しません。実際、わずかでも効果があることが知られている唯一のエッチング剤はフッ化水素酸(HF) であり、これはゆっくりと、主に結晶の光軸方向にエッチングします。

フェムト秒レーザーマイクロマシニングは、フェムト秒レーザービームの焦点領域にレーザーを当てて強誘電体結晶に「空気」の穴や溝を加工するデバイス製造に使用されます。さまざまな材料に対するフェムト秒レーザーマイクロマシニングの利点は、十分に文書化されています。^{[1]簡単に言えば、}多光子 励起によってビーム焦点内に自由電子が生成されます。フェムト秒レーザーパルスのピーク強度は、より長いパルスや連続波レーザーよりも桁違いに高いため、電子は急速に励起され、加熱されて量子プラズマを形成します。特に誘電体材料では、プラズマによって引き起こされる残留格子イオンの静電不安定性により、これらのイオンが放出され、材料がアブレーションされ、 ^[2]レーザー焦点領域に材料の空隙が残ります。また、パルス持続時間とアブレーション時間スケールは熱化時間よりもはるかに速いため、フェムト秒レーザーマイクロマシニングでは、意図した損傷領域に隣接する領域での亀裂や溶融など、熱影響部の悪影響は発生しません。^[3]

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• ポラリトンレーザー

• Feurer, T.; Stoyanov, Nikolay S.; Ward, David W.; Vaughan, Joshua C.; Statz, Eric R.; Nelson, Keith A. (2007). 「テラヘルツポラリトニクス」. Annual Review of Materials Research . 37 (1). Annual Reviews : 317–350. Bibcode :2007AnRMS..37..317F. doi :10.1146/annurev.matsci.37.052506.084327. ISSN  1531-7331. S2CID  33353438.
• Ward, DW; Statz, ER; Nelson, KA (2006-10-07). 「フェムト秒レーザー加工によるLiNbO ₃および LiTaO _{3のポラリトン構造の作製」.}応用物理学 A. 86 ( 1). Springer Science and Business Media LLC: 49–54. doi :10.1007/s00339-006-3721-y. ISSN  0947-8396. S2CID  96281166.
• David W. Ward: Polaritonics: An Intermediate Regime between Electronics and Photonics、博士論文、マサチューセッツ工科大学、2005 年。これがこの記事の主な参考文献です。
• Ward, David W.; Statz, Eric R.; Nelson, Keith A.; Roth, Ryan M.; Osgood, Richard M. (2005-01-10). 「結晶イオンスライシングによって生成された薄膜ニオブ酸リチウムにおけるテラヘルツ波の発生と伝播」.応用物理学レター. 86 (2). AIP 出版: 022908.書誌コード:2005ApPhL..86b2908W. doi : 10.1063/1.1850185 . ISSN  0003-6951.
• Ward, David W.; Beers, Jaime D.; Feurer, T.; Statz, Eric R.; Stoyanov, Nikolay S.; Nelson, Keith A. (2004-11-15). 「フェムト秒レーザー加工で製造されたテラヘルツ共振器におけるフォノン-ポラリトンのコヒーレント制御」. Optics Letters . 29 (22). The Optical Society: 2671–3. Bibcode :2004OptL...29.2671W. doi :10.1364/ol.29.002671. ISSN  0146-9592. PMID  15552680.
• Feurer, T.; Vaughan, Joshua C.; Nelson, Keith A. (2003-01-17). 「格子振動波の時空間コヒーレント制御」. Science . 299 (5605). アメリカ科学振興協会 (AAAS): 374–377. Bibcode :2003Sci...299..374F. doi :10.1126/science.1078726. ISSN  0036-8075. PMID  12532012. S2CID  19627306.
• Stoyanov, Nikolay S.; Feurer, T.; Ward, David W.; Nelson, Keith A. (2003-02-03). 「統合型回折テラヘルツ素子」.応用物理学レター. 82 (5). AIP 出版: 674–676. Bibcode :2003ApPhL..82..674S. doi :10.1063/1.1540241. ISSN  0003-6951.
• Stoyanov, Nikolay S.; Ward, David W.; Feurer, Thomas; Nelson, Keith A. (2002-09-02). 「パターン化された材料におけるテラヘルツポラリトンの伝播」. Nature Materials . 1 (2). Springer Nature: 95–98. Bibcode :2002NatMa...1...95S. doi :10.1038/nmat725. ISSN  1476-1122. PMID  12618821. S2CID  9066991.

• ポラリトニクスを発明したMITの研究グループ。