チップスケールTi:Sapphire、強力な技術が手の届くところに

July, 5, 2024, Stanford--スタンフォード大学のエンジニアは、テーブルトップからマイクロスケールへの飛躍で、世界初の実用的なチタンサファイアレーザ(Ti:Sapphire)オンチップを製造し、かつては排他的だった技術を一般化した。

レーザと同様に、チタンサファイア(Ti:Sapphire)で作られたレーザは「比類のない」性能を持つと考えられている。最先端の量子光学、分光法、神経科学など、多くの分野で不可欠の存在である。しかし、その性能には大きな代償が伴う。Ti:Sapphireレーザは、体積が立方フィート程度の大きさである。高価であり、それぞれ数十万ドルの費用がかかる。また、機能させるには十分なエネルギーを供給するので、それぞれ30,000ドルの費用がかかる他の高出力レーザが必要になる。

その結果、Ti:Sapphireレーザは、これまで、それに値する広範な現実世界での採用を達成していなかった。
規模、効率、コストの飛躍的な進歩を遂げたスタンフォード大学の研究チームは、チップ上にTi:Sapphireレーザを構築した。このプロトタイプは、これまでに製造されたどのTi:Sapphireレーザよりも4桁小さく(10,000×)、3桁安価(1,000×)である。

「これは古いモデルからの完全な逸脱である。大型で高価なレーザを1台ではなく、1つのチップに数百個の貴重なレーザを搭載するラボも近いうちに実現する可能性がある。また、緑色のレーザポインタですべてに燃料を供給することができる」と、Jensen Huangグローバル・リーダーシップ教授(電気工学教授)であり、Nature誌に掲載されたチップスケールのTi:sapphireレーザを紹介した論文の主任著者Jelena Vučkovićはコメントしている。

大きなメリット
「テーブルトップサイズから飛躍的に進歩し、これほど低コストでチップ上で製造可能なものを作ると、これらの強力なレーザは、様々な重要なアプリケーションに利用できるようになる」と、Vučković研究室の博士課程に在籍し、Vučkovićのナノスケールおよび量子フォトニクス研究室の同僚、リサーチエンジニアKasper Van Gasseとポスドク研究員のDaniil M. Lukinとともにこの研究の共同筆頭著者であるJoshua Yangはコメントしている。

技術的には、Ti:Sapphireレーザは、レーザ結晶の中で最大の「ゲイン帯域幅」を持っているため、非常に価値があるとYangは説明している。簡単に言うと、ゲイン帯域幅は、他のレーザと比較してレーザが生成できる色の範囲が広いことを意味する。また、超高速であることも特徴的である、とYangは言う。光のパルスは、毎秒、数兆分の1秒ごとに発せられる。

とは言え、Ti:Sapphireレーザも入手が困難である。最先端の量子光学実験を行っているVučkovićの研究室でさえ、これらの貴重なレーザを数台しか共有していない。
新しいTi:Sapphireレーザは、平方ミリメートルで測定されるチップに収まる。研究者がウエファ上で大量生産できれば、数千、おそらく数万個のTi:Sapphireレーザを、人間の手のひらに収まるディスクに押し込むことが可能になる。

「チップは軽い。持ち運び可能。安価で効率的。可動部品ない。さらに、大量生産も可能である。気に入らないことは? これにより、Ti:sapphireレーザが一般化される」(Yang)。

どのように行われるか
新しいレーザを作るために、研究チームは、二酸化ケイ素(SiO2)のプラットフォーム上にTi:Sapphireのバルク層を置き、すべて真のサファイア結晶の上に乗せることから始めた。次に、Ti:Sapphireを研磨し、エッチングし、滑らかにして、厚さわずか数百nmの非常に薄い層にする。その薄い層に、小さな隆起の渦を巻き付ける。これらの隆起は光ファイバケーブルのようなもので、光をあちこちに導き、強度を増す。実際、このパターンは導波路として知られている。

「数学的に言えば、強度はパワーを面積で割ったものである。そのため、大型レーザと同じ出力を維持しながら、レーザが集中する領域を狭めると、強度は天井を突き抜ける。われわれのレーザは規模が小さいため、効率を上げるのに役立っている」(Yang)。

パズルの残りのピースは、導波管を通過する光を温めるマイクロスケールのヒータで、Vučkovićのチームは、放出される光の波長を変えて、赤から赤外までの700〜1,000nmの光の色を調整することができる。

アプリケーションにスポットライトを当てる
Vučković、Yangらは、このようなレーザが影響を与える可能性のある様々な分野に最も期待を寄せている。量子物理学では、この新しいレーザは、最先端の量子コンピュータを劇的にスケールダウンでき、安価で実用的なソリューションを提供する。神経科学では、比較的かさばる光ファイバによって脳内を誘導された光でニューロンを制御できる分野であるオプトジェネティクスへの即時適用が期待できる。チームによると、小型レーザは、よりコンパクトなプローブに統合され、新しい実験の道を開く可能性がある。眼科では、レーザ手術におけるノーベル賞を受賞したチャープパルス増幅法で新たな用途を見つけたり、網膜の健康状態を評価するために使用される、より安価でコンパクトな光干渉断層撮影技術を提供したりする可能性がある。

次は、チップスケールのTi:sapphireレーザを完成させ、ウエファ上で一度に数千個を大量生産する方法に取り組んでいる。Yangは、この研究に基づいて今年の夏に博士号を取得し、この技術を市場に投入することを目指している。

「1枚の4インチウエファに数千個のレーザを照射することができる。レーザ1台あたりのコストがほぼゼロになり始めるのは、そのときである。とてもエキサイティングだ」と、Yangは語っている。