新しいフォトニックチップから入れ子型トポロジカル周波数コム

August, 9, 2024, College Park--コンパクトで堅牢な多色レーザ光源を探している科学者たちは、初のトポロジカル周波数コムを生成した。数百個の微細なリングでパタン化された小さな窒化ケイ素チップに依存したこの研究結果は、Science誌に掲載された。

通常のレーザからの光は、単一のはっきりと定義された色、すなわち同等の単一の周波数で輝く。周波数コムは、パワーアップしたレーザのようなものだが、単一の周波数の光を放射する代わりに、周波数コムは、多くの本来の等間隔の周波数スパイクで輝く。スパイク間の等間隔は櫛(コム)の歯に似ており、周波数櫛の名前の由来となっている。

初期の周波数コムは、作成にかさばる機器を必要とした。最近では、研究者はそれらを統合されたチップベースのプラットフォームに小型化することに注力している。周波数コムを生成するために必要な機器の小型化が大幅に改善されたにもかかわらず、基本的な考え方は変わっていない。有用な周波数コムを作成するには、安定した光源と、光源がより強くなると現れる光学的利得、損失、およびその他の効果を利用して、その光をコムの歯に分散させる方法が必要になる。

新しい研究では、メリーランド大学(UMD)の電気・コンピュータ工学および物理学のMinta Martin教授でもあるJQIフェローのMohammad Hafezi、米国国立標準技術研究所(NIST)フェローでもあるJQIフェロー、Kartik Srinivasan、および数人の同僚が、2つの研究ラインを組み合わせて、周波数コムを生成するための新しい方法を開発した。その一つが、半導体から作製した微細共振器リングを用いて周波数コムを小型化する試みである。2つ目はトポロジカルフォトニクスで、繰り返し構造のパタンを利用して、製造における小さな欠陥の影響を受けない光の経路を作り出す。

「周波数コムの世界は、シングルリング集積システムで爆発的に拡大している。われわれのアイデアは、本質的には、何百もの結合リングからなる特殊な格子の中で、同様の物理学を実現できないか、ということだった。それは、システムの複雑さにおいてかなり大きなエスカレーションだった」と、JQIとUMD物理学科の大学院生で、新しい論文の筆頭著者、Chris Flowerはコメントしている。

Flowerとチームは、数百個の共振器リングを2次元のグリッド状に配置したチップを設計することで、入力されたレーザ光を取り込み、チップのエッジを循環させ、チップの材料自体がチップを多くの周波数に分割する複雑な干渉パターンを設計した。実験では、研究チームはチップの上から光のスナップショットを撮影し、実際にエッジの周りを循環していることを示した。また、光の一部を吸い上げて周波数を高分解能で解析し、循環する光が周波数コムの2倍の構造を持つことを実証した。チームは比較的幅の広い歯を持つ1つのコムを見つけ、それぞれの歯の中に隠れている小さなコムを見つけた。

この入れ子になったコムは、現時点では概念実証にすぎないが(歯の間隔が等しいわけではなく、本来のものと呼ぶには少しノイズが多すぎる)、この新しいデバイスは、最終的に、原子時計、距離探知検出器、量子センサ、および光の正確な測定を必要とする他の多くのタスクに使用できる、より小型で効率的な周波数コム装置につながる可能性がある。理想的な周波数コムのスパイク間の間隔が明確に定義されているため、これらの測定に最適なツールになる。定規の等間隔の線が距離を測定する方法を提供するのと同じように、周波数コムの等間隔のスパイクは、未知の周波数の光の測定を可能にする。周波数コムを別の光源と混合すると、2番目の光源に存在する周波数を明らかにすることができる新しい信号が生成される。

繰り返しが繰り返しを生む
少なくとも定性的には、新しいチップ上の微細なリング共振器の繰り返しパタンは、そのエッジの周りを循環する周波数スパイクのパターンを生み出す。

マイクロリングは、光子(光の量子粒子)がリングからリングへと飛び移ることを可能にする小さな小さなセルを個々に形成する。マイクロリングの形状と大きさは、異なるホッピング経路間に適切な干渉が生じるように慎重に選択され、個々のリングが組み合わさってスーパーリングを形成する。集合的に、すべてのリングは、入力光をコムの多くの歯に分散させ、グリッド端に沿ってそれらを導く。

マイクロリングと大きなスーパーリングは、小さなマイクロリングよりも大きなスーパーリングの周りを光が移動するのに時間がかかるため、システムに2つの異なる時間と長さのスケールを提供する。これは最終的に、入れ子になった2つの周波数コムの生成につながる:1つは、周波数スパイクが広く間隔を空けて配置された、より小さなマイクロリングによって生成される粗いコム。これらの粗い間隔のスパイクのそれぞれの中には、スーパーリングによって生成されるより細かいコムが存在する。研究チームによると、ロシアの入れ子人形を彷彿とさせるこの入れ子状のコムの中のコム構造は、たまたま大きなギャップで隔てられた2つの異なる周波数の正確な測定を必要とするアプリケーションに役立つ可能性がある。

物事を正しくする
実験がまとまるまでに4年以上を要したが、チームが設計したチップを製造できるのは世界で1社だけだったため、問題はさらに悪化した。

初期のチップサンプルには、マイクロリングが厚すぎ、曲がりが鋭すぎた。入力光がこれらのリングを通過すると、あらゆる種類の望ましくない方法で散乱し、周波数コムを生成する希望を洗い流します。「このため、第1世代のチップはまったく機能しなかった」(Flower)。デザインに話を戻すと、リング幅を縮小し、角を丸くし、最終的に2022年半ばに納入された第3世代のチップにたどり着いた。

チップ設計を繰り返すうちに、Flowerと同氏のチームは、チップに十分なレーザ出力を供給することが困難であることも発見した。チップが機能するためには、入力光の強度が閾値を超える必要があり、そうでなければ周波数コムは形成されない。通常であれば、連続的な光線を照射する市販のCWレーザに手を伸ばしていた。しかし、これらのレーザはチップに熱を送りすぎたため、チップが焼損したり膨らんだりして、光源とずれてしまう。これらの熱問題に対処するには、エネルギーをバーストに集中させる必要があったため、ほんの一瞬でエネルギーを届けるパルスレーザに軸足を移した。

しかし、市販のパルスレーザはパルスが短すぎ、周波数が多すぎるという問題があった。それらは、チップが周波数コムに分散するように設計されている特定のエッジ制約された光の代わりに、チップ端とその中央の両方から不要な光の寄せ集めを導入する傾向があった。新しいチップの入手には長いリードタイムと費用がかかるため、チームはピーク出力の供給と、より長い持続時間の調整可能なパルスのバランスが取れたレーザを見つける必要があった。

「基本的にすべてのレーザ会社にメールを送った。カスタムの波長可変でパルス持続時間の長いレーザを作ってくれる人を探した。ほとんどの人は、それは作らないし、忙しすぎてカスタムレーザを作れないと言った。しかし、フランスのある会社から、『できるよ。話そう』と返事が来たと」(Flowr)。

同氏の粘り強さが実を結び、新しいレーザ用のより強力な冷却システムを設置するためにフランスから何度か往復した後、チームはついにチップに適切な種類の光を送り込み、入れ子になった周波数コムが出てくるのを見た。

研究チームによると、今回の実験は窒化ケイ素(SiN)で作られたチップに特化したものだが、この設計は、異なる周波数帯のコムを生成できる他のフォトニック材料に簡単に変換できる。また、このチップは、トポロジカルフォトニクスを研究するための新しいプラットフォームの導入であり、特に、比較的予測可能な動作と、周波数コムの生成など、より複雑な効果の間に閾値が存在するアプリケーションにおいて、その傾向が顕著であるとチームは考えている。