マイクロナノフォトニクスとは何ですか?

マイクロナノフォトニクスは、主にマイクロおよびナノスケールにおける光と物質の相互作用の法則と、その光生成、伝送、制御、検出、センシングへの応用を研究しています。マイクロナノフォトニクスのサブ波長デバイスは、光子集積度を効果的に向上させることができ、電子チップのような小型光チップに光子デバイスを統合することが期待されています。ナノ表面プラズモニクスは、主に金属ナノ構造における光と物質の相互作用を研究するマイクロナノフォトニクスの新しい分野です。小型、高速、そして従来の回折限界を克服するといった特徴を備えています。優れた局所電場増強特性と共鳴フィルタリング特性を持つナノプラズマ導波路構造は、ナノフィルタ、波長分割多重装置、光スイッチ、レーザーなどのマイクロナノ光デバイスの基礎となっています。光マイクロキャビティは光を微小領域に閉じ込め、光と物質の相互作用を大幅に強化します。したがって、高Q値の光マイクロキャビティは、高感度センシングおよび検出の重要な手段です。

WGMマイクロキャビティ

近年、光マイクロキャビティは、その大きな応用可能性と科学的意義から大きな注目を集めています。光マイクロキャビティは、主に微小球、微小柱、微小リングなどの形状から構成され、形態依存型光共振器の一種です。マイクロキャビティ内の光波は、マイクロキャビティ界面で完全に反射され、ウィスパリングギャラリーモード（WGM）と呼ばれる共振モードを生み出します。他の光共振器と比較して、マイクロ共振器は高いQ値（10の6乗以上）、低いモード体積、小型で集積化が容易などの特徴を持ち、高感度生化学センシング、超低閾値レーザー、非線形動作などに応用されています。私たちの研究目標は、マイクロキャビティの異なる構造と異なる形態の特性を探求し、研究し、これらの新しい特性を応用することです。主な研究方向は、WGMマイクロキャビティの光学特性研究、マイクロキャビティの製造研究、マイクロキャビティの応用研究などです。

WGMマイクロキャビティ生化学センシング

実験では、4次の高次WGMモードM1（図1(a)）を用いてセンシング測定を行った。低次モードと比較して、高次モードの感度は大幅に向上した（図1(b)）。

図1. マイクロキャピラリーキャビティの共鳴モード（a）とそれに対応する屈折率感度（b）

高Q値可変光フィルタ

まず、半径が緩やかに変化する円筒形マイクロキャビティを引き抜き、共振波長（図2(a)）から形状サイズの原理に基づいて結合位置を機械的に動かすことで波長調整を実現します。調整性能とフィルタリング帯域幅は図2(b)と(c)に示されています。さらに、このデバイスはサブナノメートル精度の光変位センシングを実現できます。

図2. 可変光フィルタの概略図（a）、可変性能（b）、フィルタ帯域幅（c）

WGMマイクロ流体ドロップ共振器

マイクロ流体チップにおいて、特に油中液滴（Droplet in-oil）は、表面張力の特性により、直径が数十ミクロンから数百ミクロンの場合、油中に浮遊し、ほぼ完全な球形を形成します。屈折率の最適化により、液滴自体は108を超えるQ値を持つ完全な球形共振器となり、油中での蒸発の問題も回避されます。比較的大きな液滴は、密度差により上面または下面に「着座」し、このタイプの液滴は横方向の励起モードのみを使用できます。