新しいデバイス設計がフォトニクス・量子技術を小型化する可能性(New Device Design Could Miniaturize Photonics, Quantum Technologies)

2026-09-03 ハーバード大学

ハーバード大学などの研究チームは、人工的に設計した半導体多重量子井戸とメタサーフェスを一体化し、光の非線形周波数変換を大幅に高める小型光デバイスを開発した。ガリウムヒ素(GaAs)とアルミニウム・ガリウム・ヒ素(AlGaAs)の極薄層を積層して電子状態を設計し、その表面にナノピラーを周期配置したメタサーフェスを形成。ナノ構造によって電磁場を材料内部に集中させ、方向や対称性を制御することで、未加工ウエハーに比べて非線形光周波数変換を約3桁向上させた。特に光通信で重要な近赤外波長でも高い変換性能を示した。標準的な化合物半導体材料と平面ナノ加工技術を利用するため、既存の半導体製造工程との互換性も期待される。将来的には、チップ上の周波数変換器、光通信、量子通信・量子計算用のもつれ光子源などへの応用が見込まれる。研究の特徴は、材料の量子工学とメタサーフェスによる光場制御を同時に設計することで、従来より小型・高効率なフォトニクスデバイスを実現した点にある。

<関連情報>

自由空間アクセス可能な非線形分極増強のための量子井戸メタサーフェス Quantum-well metasurface for free-space-accessible enhanced nonlinear polarization

Pernille Undrum Fathi,Irene Occhiodori,Patrick Devaney,Amberly Ricks,Rithvik Ramesh,Yiwei Ju,Moaz Waqar,Theodore P. Letsou,Christina M. Spägele,Hyunseung Jung,Igal Brener,Xiaoqing Pan,Marcus Ossiander,Seth R. Bank & Federico Capasso
Nature Nanotechnology  Published:02 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-026-02268-0

新しいデバイス設計がフォトニクス・量子技術を小型化する可能性(New Device Design Could Miniaturize Photonics, Quantum Technologies)

Abstract

Nonlinear frequency conversion underpins important technologies such as telecommunications and quantum computation; however, weak nonlinearities and architectures that resist miniaturization currently limit devices’ efficiency and widespread adoption. Here we combine a band-structure-engineered GaAs/AlGaAs multi-quantum-well heterostructure with a high-quality-factor dielectric metasurface and symmetry-broken guided-mode field profiles to enhance the material nonlinear susceptibility. By engineering a resonant interband transition in the heterostructure, we realize a second-order nonlinear tensor element of 1.6 nm V−1 at 1.57 μm wavelength. We then make it free-space accessible and boost the effective nonlinearity to ~14 nm V−1 using a metasurface patterned on the material. Our proof-of-concept experiment establishes that combining interband-transition engineering and metasurfaces enables giant effective nonlinearities in the near-infrared to visible spectrum. This addresses material and device-level constraints in nonlinear photonics, providing a scalable route to compact, efficient devices.

0403電子応用
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