NIST､精密分光計用フォトニクスチップを開発

April, 17, 2018, Gaithersburg--NISTの研究チームは､レーザ光が微小な原子雲と相互作用するチップを開発した｡これは､量子精度で長さなどの重要な量を計測する微小ツールキットとして機能する｡設計は、既存技術で量産可能である｡
　Opticaに発表された研究成果によると､NISTのプロトタイプチップは､780nm波長で赤外光を生成するために使用される｡これは、ほかの計測器を校正するための長さ基準として使える精度｡NISTのチップは､原子雲と､光波を1平方㎝以下に誘導するための構造を内蔵している｡これは､同等の計測精度を持つほかのコンパクトなデバイス体積の1/1万程度である｡
　｢原子のプローブのために光波ガイドチップを使うほかのデバイスと比較して､われわれのチップは計測精度が100倍向上している｡われわれのチップは現在､小型外部レーザと光学テーブルに依存しているが､将来設計では､すべてをチップに搭載する｣とNIST物理学者､Matt Hummonは話している｡
　小さなセルに閉じ込めた原子蒸気の量子状態をプローブするために光を使うデバイスは多い｡原子は､外部状況に非常に影響を受けやすいので､最高のディテクタになる｡原子蒸気と光の相互作用に基づいたデバイスは､時間､長さ､磁場などの量を計測でき､アプリケーションは､ナビゲーション､通信､医学やほかの分野にも及ぶ｡そのようなデバイスは一般に､手作業で組み立てる必要がある｡
　新しいNISTのチップは､斬新な導波路とグレーティング構造を通して外部レーザからの光を伝播し､ビーム径を広げて約1億の原子を､最終的に一つのエネルギー準位から別の準位に変わるまでプローブする｡このエネルギー遷移のために原子が吸収するレーザ光の周波数､つまり波長を判定するために､そのシステムはフォトディテクタを使ってレーザチューニングを特定する｡チューニングでは､光の半分程度が蒸気セルを通過するようになっている｡
　デモンストレーションはルビジウム原子ガスを使ったが､チップは､幅広い原子および分子蒸気で機能し､可視光と赤外の一部で特殊波長を生成する｡レーザが適切にチューニングされると､元のレーザ光の一部が出力としてスピンオフし､参照基準として利用される｡
　NISTのチップは､たとえば､長さ計測器の校正に利用できる可能性がある｡国際長さ基準は､光の速度をベースにしている､これはその周波数を乗じた波長に等しい｡
　しかしもっと重要な点は､NISTのグループリーダー､John Kitchingの説明によると､新しいチップが､レーザと原子蒸気セルがともに潜在的に､半導体のように量産可能であることを示している点である｡これは､現在の､嵩張るオプティクスと吹きガラス蒸気セルの手作業組立ではなく､シリコン材料と従来のチップ製造技術を使う｡この進歩は､多くのNIST計測器､原子時計から磁気センサ､ガス分光計までに適用可能ある｡
　NISTのチップは14㎜長､9㎜幅である｡導波路は､SiNで作られており､幅広い範囲の光周波数に対処する｡蒸気セルは､ガラス窓を持ち､微細加工したシリコンである｡これは､Kitchingの研究グループが開発した､NISTのチップスケール原子時計や磁気探知器で使われているものと同じである｡
　新しいデバイスは100秒で､100億分の1誤差精度で周波数を計測する｡性能は､別のNIST周波数コムと比較して検証されている｡この性能レベルは､非常に小さな物に最適である｡ただし、フルスケールのラボ計測器の方が､より高精度である｡