二次元ファンデルワールス層状物質は、ハイブリッドフォトニクス分野においてますます重要な役割を担っています。これらの材料は、光と物質の相互作用を強化し、付加的な制御性や機能性を実現するために、光共振器をはじめとするフォトニック構造に集積されることが多く、精力的に研究が進められています。ハイブリッドデバイスの一般的な作製手法では、単層あるいは数層の二次元物質フレークを、あらかじめ作製されたナノ光共振器上に転写します。極めて薄いとはいえ、二次元物質フレークの存在は光共振器の誘電環境を変化させうるものです。しかしながら、このような影響はしばしば見過ごされるか、ナノフォトニック共振器の設計パラメータをわずかに調整することで修正できる小さな摂動として扱われてきました。二次元物質を活用した誘電環境設計という観点は、ハイブリッドナノフォトニックデバイスにおいてほとんど開拓されておらず、むしろ二次元物質による誘電変化は修正すべき問題ではなく、光共振器における光–物質相互作用を強化するための新たなアプローチとして捉えることができます。

本研究では、フォトニック結晶導波路の作製後に二次元物質フレークを積層することにより、自己整合型ナノ光共振器を形成する汎用的な手法を実証しました。二次元物質フレークがフォトニック結晶導波路の一部を覆うと、導波モードに局所的な摂動が生じ、基板となるフォトニック結晶格子に物理的な改変を加えることなく、光の局所的な閉じ込めと光共振器形成が実現されます。単一の二次元物質フレークによって形成されるハイブリッド光共振器に関する先行研究を発展させた本研究では、複数のフレークを順次転写した場合においても、これらの光共振器が高い安定性を維持し、Q値にして10⁴程度の良好な光学特性を一貫して保持することを示しました。さらに、光学的に活性なhBN/MoTe₂ヘテロ構造を光共振器に結合することで、フォトルミネッセンスの増強と発光寿命の短縮を観測しており、これは光共振器誘起のPurcell効果による放射増強を示唆するものです。加えて、hBNによる表面保護によりQ値が顕著に向上することを確認しており、光学性能の改善における誘電環境設計の重要性が明確に示されました。これらの結果は、ナノフォトニックデバイスを作製後に変調する技術における二次元物質集積の有効性を実証するとともに、光–物質相互作用を精密に制御したスケーラブルなハイブリッドフォトニックシステムの実現に向けた道を切り拓くものです。

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。
Chee Fai Fong, Daiki Yamashita, Nan Fang, Shun Fujii, Yih-Ren Chang, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, and Yuichiro K. Kato Dielectric environment engineering via 2D material heterostructure formation on a hybrid photonic crystal nanocavity Opt. Mater. Express 16, 646 (2026).