マイクロナノフォトニクスは、主にマイクロスケールおよびナノスケールでの光と物質の相互作用の法則と、光の生成、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、光子の集積度を効果的に向上させることができ、電子チップのように小型の光チップにフォトニックデバイスを集積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。小型で高速であり、従来の回折限界を克服するという特徴があります。優れた局所電場増強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、波長分割多重器、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、マイクロ球、マイクロカラム、マイクロリングなどの形状から構成され、形態依存型の光共振器です。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が生じます。他の光共振器と比較して、マイクロ共振器は、高いQ値（10⁶以上）、低いモード体積、小型で集積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さまざまな構造と形態の特徴を発見し研究し、これらの新しい特徴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的特性の研究、マイクロキャビティの作製研究、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、センシング測定に4次高次WGMモードM1（図1(a)）を使用した。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振モード(a)とそれに対応する屈折率感度(b)
高Q値を持つ波長可変光学フィルター
まず、半径方向にゆっくりと変化する円筒形マイクロキャビティを引き出し、共振波長に基づいて形状サイズ原理に従って結合位置を機械的に移動させることで波長調整を実現します（図2（a））。調整可能な性能とフィルタリング帯域幅を図2（b）および（c）に示します。さらに、このデバイスはサブナノメートル精度で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、特に油中液滴（油中液滴）の場合、表面張力の特性により、直径が数十ミクロンまたは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、液滴自体が108を超える品質係数を持つ完全な球形共振器となります。また、油中の蒸発の問題も回避されます。比較的大きな液滴の場合、密度差により、液滴は上側または下側の側壁に「付着」します。このタイプの液滴は、横方向励起モードのみを使用できます。
投稿日時：2023年10月23日