センシングと通信のためのチップスケールフォトニックシステムにおけるブレイクスルー

March, 10, 2026, Cambridge--ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学部(SEAS)の応用物理学者たちは、フォトニックチップ上で超精密で均等に配置されたレーザ光の「コーム」を生成する新しい方法を発見した。これは分光センサや通信システムのような光学プラットフォームを小型化する画期的な技術である。

この研究はSEASの電気工学・応用物理学のTiantsai Lin教授であるMarko Lončarが主導し、Science Advances誌に掲載された。論文の第一著者Yunxiang Songは、量子科学工学の大学院生である。

光周波数コームは、コームの歯のように色が均等に間隔を空けたレーザ光源である。 原子時計から高速通信に至るまで、精密な測定を必要とする多くの現代技術の基盤となっている。光学分野の画期的な発明であり、2005年のノーベル物理学賞の対象となった従来のファイバレーザ周波数コームは安定かつ信頼性が高いが、かさばりやコストによって制約されることもある。

Lončar研究所は、これらのレーザ源をマイクロンサイズのフォトニック回路に縮小することで、チップスケールの光周波数コーム(マイクロコーム)の開発で最前線に立っている。これらのマイクロコームは、消費電力が少なく、高帯域幅のデータ伝送に適した広いコームライン間隔を持つなど、多くの利点がある。

研究所が選んでいるプラットフォームは薄膜リチウムニオベート(LN)であり、これは統合フォトニクスに優れた光変調特性を持つ結晶材料であり、Lončarグループが過去10年間に先駆けた技術である。機能的なマイクロコームは、電気信号を使って生成されたコームラインを操作する電気光学変調器と呼ばれる装置との統合が必要。コームの生成と変調を一つのチップに滑らかに融合させることは、科学者たちが長年追求してきた目標だった。

LNは電気による光の精密制御を可能にするが、結晶振動による光の散乱(ラマン効果)のため、マイクロコームの実現はこれまで困難だった。LNマイクロ共振器をレーザでポンプすると、ラマン効果が作用しやすくなり、均等に配置されたマイクロコームではなく単色になる。

昨年Opticaに発表された以前の研究では、SongとチームはLN中のラマン効果を抑制できる新しい回転レーストラックのような共振器設計を開発した。異なる結晶軸に沿った異なるラマン応答を持つXカットリチウムニオベートと呼ばれる特定のウェハー配向を用いて、このプラットフォーム上で初めてソリトンと呼ばれるマイクロコームのクラスを実証した。

新しいScience Advancesの論文では、同じ設計戦略を用いて、ノーマルディスパーションKerrマイクロコームと呼ばれる別の周波数コームを製造した。これはX-cutカットリチウムニオベートチップ上で初めて作られたマイクロコームである。このようなコームは、レーザ出力の大部分をチップスケールの光通信やその他の用途に適した間隔のコームラインに変換できる。

Lončarは「この研究は、通常の分散コームが強力な電気光学変調を備えた技術的に関連する薄膜リチウムニオベートプラットフォームでも実装できることを示している。それが次世代のマイクロコーム駆動フォトニックシステムに求められているものだ」と話している。

チームは偶然の発見にも驚いた。マイクロ共振器は迷惑なラマン効果を抑制する設計をしていたにもかかわらず、残留ラマン散乱効果が残っていたのである。しかし、コームを壊す代わりに、この小さな効果がコームにロックされて相互作用し、さらに新しいハイブリッドマイクロコームを生み出した。これはオリジナルよりも幅広く多用途である。

「ラマン効果を活用し、一般的な常識のように制限されるのではなく、より広く一貫した周波数コームは、名目上コーム生成が難しいスペクトル範囲をカバーするのに有用かもしれない」(Song)。

オークランド大学(University of Auckland)の共同研究者による理論的モデリングとシミュレーションにより、この新たに観測されたハイブリッドマイクロコームは全スパンにわたって位相コヒーレントを持ち、すべての周波数コームが満たすべき重要な特性であることが確認された。

新しいハイブリッドマイクロコームは、通常到達が難しいスペクトル帯域で周波数コームを生成する別の方法を提供する。この能力は、特定の波長で吸収するガスや化学物質の分光、あるいは電磁スペクトルの中赤外線領域での検出など、様々な応用で価値が発揮される可能性がある。

単一アプリケーションを超えて、チームの研究は基礎的な応用物理学の一環であり、リチウムニオベートを高効率のマイクロコームと高速電気光学制御を同一チップ上で共存させる独自の強力なプラットフォームとして確立した。コーム生成共振器はチップ表面にミリメートルスケールのリングであるため、Lončarグループや他の先駆者たちが開発した他のフォトニック構成要素とシームレスに製造可能である。