非線形光共振器に多くの潜在的アプリケーション

March, 12, 2021, Pasadena--光を周回させ､閉じ込める(例えばレーザ内)光共振器は､現在あらゆるサイズの様々なアプリケーションで利用されている｡髪の毛幅よりも小さなピンポイント光源から､重力波検出LIGO実験などキロメートルスケールのセンシングデバイスまでである｡

光パラメトリック発振器として知られるデバイスは､オプティクスでは非線形共振器として広く利用されている｡｢非線形｣とは､システムに光が流れ込み､光が流れ出すが､同じ波長ではないと言う意味｡この共振器は､量子オプティクス実験を含む様々なアプリケーションで有用であるが､その出力波長､つまりスペクトルがどのように振る舞うかを支える物理学は､よく理解されていない｡

｢強力な非線形性を共振器に付加すると､いわゆるリッチ物理学領域に入る｡物理学におけるリッチという用語は､通常､複雑で使いにくいことを意味するが､コンピューティング用のスイッチングなど、有用な機能創成には非線形性が必要である｣とCaltech電気光学･応用物理学准教授､Alireza Marandiは説明している｡

非線形光共振器をフル活用できるようにするために研究チームは､それらの機能方法を支える物理学を理解し、モデル化できるようになりたいと考えている｡この目的のために研究チームは､先頃､そのリッチ物理学を設計する可能な方法を明らかにした｡一方で､その共振器が生成する光における相転移の発見も明らかにした｡研究成果は､Nature Communicationsに発表された｡

通常､相転移という用語は､物質の物理的状態の変化を想起させる｡状態の急変や特定点における挙動の急変の類比は､研究チームが光共振器で言及した特別な相転移の説明に役立つ｡

研究では､チームは光ファイバと特殊なリチウムナイオベート(LN)でできた非線形導波路､様々な電気および光アプリケーションで使用される人工塩から光共振器を構築した｡非線形共振器は､入力波長の約2倍の波長の光を生成できる｡チームは､その共振器を様々な長さに精密調整し､生成された光のスペクトルが､特定の長さで急変することを確認した､物理的物質における相転移と類似である｡

その発見は､基礎的および実用的意味の両方をもつ｡基本的に､相転移はよく理解されたモデル化しやすい現象であり､非線形光共振器の｢リッチ｣物理学の簡素化に役立つ｡実用的には､それらはセンサの構築に利用できる｡｢相転移は有用である｡入力における些細な変化の反応を増幅するからである｣とMarandiは話している｡それらは将来の光コンピューティングアーキテクチャにおける｢スイッチングメカニズム｣になる可能性もある｡
この研究は､ARL､NSF､NTT Research Inc.から助成を受けた｡

(詳細は､https://www.caltech.edu/)