近年、原子1層程度の厚みしか持たない二次元材料の活用が様々な分野で注目されています。その中でもセレン化タングステン（WSe₂）をはじめとする遷移金属ダイカルコゲナイドは単層で良質な直接遷移型の半導体特性を示し、その厚みは0.7ナノメートル程度という究極的なナノ材料の一つです。さらにその薄さにもかかわらず巨大な非線形光学係数を持つことが先行研究より示唆されており、次世代のナノスケールの光デバイスへの活用が期待されています。

本研究では、単層のWSe₂を高Q値シリカ微小光共振器上に転写することで、従来制限されてきた2次の非線形波長変換が微弱な連続光レーザーでも高効率に発生できることを実証しました。まず、単層に剥離したしたWSe₂を高Q値シリカ微小光共振器上に転写します。転写には、透明で伸縮性のあるシリコーン材料が用いられ、高精度な自動位置制御を組み合わせて共振器の光学損失を極力低減しながら、デバイスを作製することができます。 このようにして作製したハイブリッドデバイスを通信波長帯の連続光レーザーで励起し、可視光帯に感度を持つ分光器で波長変換光を観測しました。そのとき励起光の半分の波長である773 nm付近において大きなピークが得られており、代表的な2次非線形光学効果である第二高調波発生が起きていることが確認されました。また、波長の異なる二つのレーザーで励起することによって和周波発生も実証しました。さらに転写するWSe₂の大きさと微小光共振器上の位置を変えることで、2次と3次の非線形光学効果の強さを制御可能であることを明らかにしました。

本来シリカは二次の非線形光学効果は示しません。本研究で、原子レベルに薄い二次元材料を高Q値微小光共振器に組み合わせることで、従来観測できなかった高効率な波長変換過程の誘起と制御を実証したことは、材料固有の特性を打破する重要な結果です。本手法を活用することでナノフォトニクス素子開発の自由度を飛躍的に高めることが期待されます。

本研究の詳細については、こちらの論文を参照してください。
S. Fujii, N. Fang, D. Yamashita, D. Kozawa, C. F. Fong, Y. K. Kato van der Waals decoration of ultra-high-Q silica microcavities for χ⁽²⁾-χ⁽³⁾ hybrid nonlinear photonics Nano Lett. 24, 4209 (2024).

プレスリリース: 「原子層ナノ物質と微小光共振器による高効率波長変換に成功－ナノフォトニクス素子の高機能化へ期待－」