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Pennエンジニア、チップサイズ光システム向けにマイクロレーザアレイ

Fig2

July, 2, 2021, Philadelphia--ペンジルバニア大学工学・応用化学の研究チームは、、ぎっしりと詰まったマイクロレーザの2Dアレイを設計、構築するために理論物理学の最先端コンセプトを利用した。2Dアレイはシングルマイクロレーザの安定性を持っているが、全体として、何桁も高いパワー密度を達成できる。

その超対称性マクロレーザアレイを実証する研究をScienceに発表した。

研究リーダーはLiang Feng。

フォトニックデバイスで操作される情報を保持するために、そのレーザは並外れて安定的で、コヒレントでなければならない。いわゆる「シングルモード」レーザは、ビーム内のノイズ変動を除去し、コヒレンスを改善するが、その結果、多数の同時モードを含むレーザと比べると暗くなり、出力が弱くなる。

「一見、高出力、シングルモードレーザを実現する直接的な方法は、多数の同じシングルモードレーザをまとめてレーザアレイを形成すること。直感的には、このレーザアレイは、出力強化となるが、結合システムに関わる複雑性の特性のために、それも多数のスーパーモードを持つことになる。残念ながら、モード間競合によりレーザアレイは、あまりコヒレントではなくなる」(Feng)。

フォトニックセンシングやLiDARアプリケーションを狙って、2つのレーザを結合すると、2つのスーパーモードが生ずるが、レーザが2Dグリッドアレイになると、その数は二次的に増加する

「シングルモード動作は重要である。レーザアレイの放射輝度と明るさが、レーザ数とともに増加するからである。ただし、それら全てが単一スーパーモードに位相ロックされている場合である」。

「物理学の超対称性コンセプトからヒントを得た。われわれは、この種の位相ロックシングルモードレーザ発振をレーザアレイで達成することができる」

素粒子物理学では、超対称性は、2つの主要なクラス、ボソンとフェルミオンの全ての素粒子は、他のクラスではまだ発見されていない「スーパーパートナー」を持つ理論である。各粒子の仮定的スーパーパートナー特性は、レーザの特性にも適用できると、数学的ツールは予言している。

素粒子と比較して、シングルマイクロレーザのスーパーパートナーの作製は比較的簡単である。複雑性は、超対称性数学的変換を適用して、スーパーパートナー全体を作るところにある、これは、オリジナルの所望のシングルモード以外の全てをキャンセルする正しいエネルキーレベルを持つ。

Fengのチームの研究以前には、スーパーパートナーレーザアレイは、1次元に過ぎなかった。レーザエレメントの各々が一列に整列していた。個々の要素が相互に結合する方向を支配する数学的関係を解くことで、新しい研究は、5列、5段のマイクロレーザアレイを示している。

「損失の多い超対称性パートナーアレイや元のレーザアレイが結合すると、基本モードを除く全てのスーパーモードが散逸する、結果的に25倍のパワー、元のアレイの100倍以上のパワー密度のシングルモードレーザ発振となる。われわれは、3Dでさえ、遙かに大きなアレイにわれわれの一般的なスキームを適用することでパワースケールは飛躍的になる考えている。背後にあるエンジニアリングは同じである」(Gao)。

チームの研究は、その技術が、渦巻レーザについての以前の研究にも適合できることを示している。これは、軌道角運動量を精密に制御することができる、つまりレーザビームが、その移動軸の周りでどのように渦巻くかを制御できる。この光の特性を操作できることにより、フォトニックシステムに、以前に考えていたよりも遙かに高密度にエンコードできる。

「シングルモード、ハイパワーレーザ発振は、光通信、光センシング、LiDAR測距など幅広い範囲の重要なアプリケーションで使用される。Pennの研究成果は、より効率的なフィールドで使えるレーザ光源実現への重要な前進である」とプログラムマネージャ、James Josephはコメントしている。

(詳細は、https://blog.seas.upenn.edu)