All about Photonics

Science/Research 詳細

EPFL、光で光チップを改善

1856x1040

January, 11, 2022, Lausanne--EPFL研究チームは、変調光を使って光チップで新しい物理現象を作り、観察した。

技術は、ますます微小化、エネルギー効率化へと進んでいる。これは、電子チップにも適用される。光、より広くは、オプティクスは、コンパクト、可搬チップ作製に便利である。Camille Brès教授を所長とするフォトニクスシステム研究所の研究者は、シリコンナイトライド(SiN)チップに2次光学非線形性導入の新理論適用に成功した。研究成果は、Nature Photonicsに発表された。

光の異なる色
「例えばグリーンレーザポインタを使うとき、レーザ自体はグリーンではない。これらは、特に製造が難しいからである。したがって、われわれは既存レーザの周波数を変える。それは、グリーンの半分の周波数を放出する、次に結晶の非線形性を利用して、それを2倍にし、グリーンが得られる。われわれの研究は、エレクトロニクス(CMOS)のために開発された標準的な技術で製造できるチップ上に、この機能を組み込むことからなる。これにより、われわれは、チップ上で様々な色の光を効率よく作ることができる」(Camille Brès)。実証されたアプローチは、これまでに実行されたことはなかった。CMOSプロセスに適合した現在のフォトニクスは、シリコンなどの標準的なフォトニック材料を利用しており、これには二次非線形性はなく、したがって、本質的に、このように光を変換できない。「これは、技術進歩の障害となつている」と同教授は言う。

増幅器リング
工学部の研究者が非線形性を導入する技術を開発した、これは、通常はできないところで光を変換するために使う。また、この変換を効果的にするために、研究チームは、光が経験する非線形プロセスを拡大するリング形状構造の変調器を使用した。EPFLで確立され、現在Ligentec SAで商用化されているSiN共振器は、光が共振器を長期間周回できるように非常に低損失である。「非線形性は、光と物質との相互作用によるものである。そのプロセスが機能的で効率的であるには、この交換は長くなければならない。しかし、チップは小さな物体であるので、われわれは、それから長距離の恩恵を受けることはない」と共筆頭著者、Jianqi Hu, PhDは説明している。共振器に導入された光は、捉えられて、非線形相互作用が増加するのに必要な時間、進行する。

ハイウエイの2台の自動車
この技術により、チップの効率は、大幅に改善された。しかし、Camille Brèsによると、新たな制約が課される。共振器を使うと、われわれは、選択可能な光に関して制約を受ける。実際、非線形効果の有効性も、相互作用する異なる色の間の位相一致に依存している、ところが、それらは不可避的に伝搬速度が違う。ハイウエイの二台の自動車のようにである。速いレーンの一台を減速させ、他方を加速して、二台が隣り合って進み、相互作用させたい」(Jianqi Hu)。これは、共振器では、非常に制約された場合でのみ達成される。研究チームは、その共振器を利用しているにもかかわらず、この制約を回避し、幅広い複数の色にアクセスするソリューションを見いだした。共振器では、光波は伝搬し、材料の特性を変えるコヒレント相互作用を生み出す。その構造の自己組織化は、オールオプティカル的に達成され、これが、入力カラーに関係なく、位相不整合を自動的に補正する。こうして、われわれは、共振器の重要な制限を克服し、同時に、その強力な効率向上の恩恵を受けている」と研究者は結論づけている。
(詳細は、https://actu.epfl.ch)