EPFL、フォトニックチップ上でのレーザの微細化

June, 18, 2024, Lausanne--EPFLの科学者たちは、窒化ケイ素（SiN）フォトニックチップ上の強力なエルビウムベースのファイバレーザの小型化に成功した。一般的なエルビウム系ファイバレーザは大型でスケールダウンが難しいため、このブレークスルーは光通信およびセンシング技術の大きな進歩を約束する。

レーザは60年代から世界に革命をもたらし、最先端の手術や精密な製造から光ファイバを介したデータ伝送まで、現代のアプリケーションに不可欠。

しかし、レーザベースのアプリケーションのニーズが高まるにつれて、課題も増えている。例えば、ファイバレーザ市場は成長しており、現在、工業用切断、溶接、マーキングの用途に使用されている。

ファイバレーザは、希土類元素(エルビウム、イッテルビウム、ネオジムなど)をドープした光ファイバを光利得源(レーザの光を生成する部分)として使用する。高品質のビームを放出し、高出力で、効率的でメンテナンスが少なく、耐久性があり、通常はガスレーザよりも小型である。ファイバレーザは、低位相ノイズの「ゴールドスタンダード」でもあり、ビームが長期にわたって安定していることを意味する。

しかし、それにもかかわらず、ファイバレーザをチップスケールレベルで小型化する需要が高まっている。エルビウムベースのファイバレーザは、レーザの高いコヒレンスと安定性を維持するためのすべての要件を満たしているため、特に興味深いものである。しかし、小型化には、小規模で性能を維持するという課題があった。

今回、EPFLのDr Yang LiuとTobias Kippenberg教授が率いる科学者たちは、ファイバベースのレーザの性能に近づき、広い波長の調整可能性とチップスケールのフォトニック集積の実用性を兼ね備えた、史上初のチップ集積型エルビウムドープ導波路レーザを構築した。このブレークスルーは、Nature Photonicsに掲載されている。

このような新しいクラスのエルビウムドープ集積レーザの応用分野は事実上無限である（Yang Liu、この研究の筆頭著者）。

チップスケールレーザの構築
研究チームは、最先端の製造プロセスを使用してチップスケールのエルビウムレーザを開発した。まず、超低損失窒化ケイ素フォトニック集積回路をベースに、長さ1メートルのオンチップ光共振器(光フィードバックを提供するミラーのセット)を構築した。

「デバイスを物理的に大きくすることなく、光路を効果的に拡張するこれらのマイクロリング共振器を統合することで、コンパクトなチップサイズにもかかわらず、レーザ共振器をメートルスケールの長さに設計することができた」（Liu）。

次に、回路に高濃度のエルビウムイオンを注入し、発振に必要なアクティブゲイン媒体を選択的に生成した。最後に、この回路をIII-V族半導体ポンプレーザと一体化してエルビウムイオンを励起し、エルビウムイオンが発光してレーザビームを生成できるようにした。

レーザの性能を改良し、正確な波長制御を実現するために、研究チームは、特定の周波数の光を選択できる光学フィルタの一種であるマイクロリングベースのバーニアフィルタを特徴とする革新的な共振器内設計を考案した。

このフィルタは、広い範囲にわたってレーザの波長を動的に調整できるため、さ様々な用途で汎用性が高く、使用できる。このデザインは、わずか 50Hz という非常に狭い固有線幅で、安定したシングルモード発振をサポートする。

また、他の周波数の強度を最小限に抑えながら、単一の一貫した周波数で光を放射するレーザの能力(「サイドモード」)である、大幅なサイドモード抑制も可能になる。これにより、高精度アプリケーション向けに光スペクトル全体にわたって「クリーン」で安定した出力が保証される。

パワー、精度、安定性、低ノイズ
チップスケールのエルビウムベースのファイバレーザは、10mWを超える出力と70dBを超えるサイドモード抑制比を特長とし、多くの従来のシステムを凌駕している。

また、線幅が非常に狭いため、発する光は非常に純粋で安定しており、センシング、ジャイロスコープ、LiDAR、光周波数計測などのコヒーレントなアプリケーションにとって重要である。

マイクロリングベースのバーニアフィルタは、CバンドとLバンド(テレコムで使用される波長の範囲)内の40nmにわたってレーザの幅広い波長調整可能性を提供し、現在の半導体製造プロセスとの互換性を維持しながら、チューニングと低スペクトルスプリアスの両方の指標(「スプリアス」は不要な周波数)の両方で従来のファイバレーザを上回る。

次世代レーザ
エルビウムファイバレーザを小型化し、チップスケールのデバイスに統合することで、全体的なコストを削減でき、テレコム、医療診断、家電などのポータブルで高度に統合されたシステムで利用できるようになる。

また、LiDAR、マイクロ波フォトニクス、光周波数合成、自由空間通信など、他の様々なアプリケーションでも光学技術をスケールダウンできる。

「このような新しいクラスのエルビウムドープ集積レーザのアプリケーション分野は、事実上無限である」（Liu）。