小さな新しいレーザが可視光色の虹の長年のギャップを埋める

September, 13, 2024, Gaithersburg--長年にわたり、科学者たちは赤色光と青色光を生成する小型で高品質のレーザを製造してきた。しかし、通常採用している方法(半導体に電流を注入する)は、黄色と緑の波長で光を発する小さなレーザの構築にはうまく機能していなかった。研究者は、可視光スペクトルのこの領域における安定した小型レーザの不足を「グリーンギャップ」と呼んでいる。このギャップを埋めることで、水中通信や医療などに新たな機会が開かれる。

グリーンレーザポインタは25年前から存在しているが、狭いスペクトルの緑色でしか光を発せず、他のデバイスと連携して有用なタスクを実行できるチップには組み込まれていない。

現在、米国国立標準技術研究所(NIST)の研究チームは、チップに収まるほど小さいリング状のマイクロ共振器という小さな光学部品を変更することで、グリーンギャップを埋めた。

緑色のレーザ光のミニチュア光源は、ほとんどの水生環境で水が青緑色の波長に対してほぼ透明であるため、水中通信を改善することができる。その他の潜在的な用途は、フルカラーレーザプロジェクションディスプレイや、糖尿病性網膜症、眼の血管の増殖などの病状のレーザ治療がある。

この波長範囲のコンパクトレーザは、量子情報の基本単位である量子ビットにデータを保存できる可能性があるため、量子コンピューティングや通信のアプリケーションにとっても重要である。現在、これらの量子アプリケーションは、サイズ、重量、出力が大きいレーザに依存しているため、実験室の外部に展開する能力は限られている。

NISTのKartik Srinivasanが率いるチームと、NISTとメリーランド大学の研究パートナーシップであるJoint Quantum Institute(JQI)は、数年前から、窒化ケイ素(SiN)で構成されたマイクロ共振器を使用して、赤外線レーザ光を他の色に変換してきた。赤外光がリング状の共振器に送り込まれると、光はSiNと強く相互作用するのに十分な強度に達するまで数千回旋回する。この相互作用は、光パラメトリック発振(OPO)と呼ばれ、いわゆるアイドラーと信号の2つの新しい波長の光を生成する。

以前の研究では、研究チームは可視レーザ光のいくつかの個々の色を生成した。生成される光の色を決定するマイクロ共振器の寸法に応じて、チームは、黄色と緑の光の間の毛で覆われたエッジに、赤、オレンジ、黄色の波長、および560nmの波長を生成した。しかし、チームは緑のギャップを埋めるために必要な黄色と緑の色を完全に補完することはできなかった。

「われわれは、わずか数波長をヒットするのに得意になりたくなかった。ギャップ内の全波長にアクセスしたかったのだ」と、新しい研究の共同研究者であるNISTの科学者Yi Sunはコメントしている。

このギャップを埋めるために、チームはマイクロ共振器を2つの方法で変更した。まず、チームはそれを少し厚くした。その寸法を変更することで、研究者チームは、緑色のギャップの奥深くまで浸透する光をより簡単に生成し、532nmという短い波長まで浸透した。この拡張された範囲により、チームはギャップ全体をカバーした。

さらに、チームは、マイクロ共振器の下の二酸化ケイ素層の一部をエッチングすることで、マイクロ共振器をより多くの空気にさらした。これにより、出力色がマイクロリング寸法と赤外線ポンプ波長の影響を受けにくくなる効果があった。感度が低いことにより、研究チームはデバイスからわずかに異なる緑、黄、オレンジ、赤の波長を、より制御性よく生成できるようになった。
その結果、チームは、グリーンギャップ全体に150を超える異なる波長を作成し、それらを微調整できることを確認した。「以前は、OPOで生成できるレーザカラーに赤、オレンジ、黄色、緑という大きな変更を加えることができたが、これらの各カラーバンド内で微調整を行うのは難しかった」(Srinivasan)。

研究チームは現在、グリーンギャップレーザの色を生成するためのエネルギー効率を高めようと取り組んでいる。現在、出力電力は入力レーザの出力数パーセントにすぎない。入力レーザと、光をマイクロ共振器に導く導波路との間の結合を改善し、生成された光を抽出する方法を改善することで、効率を大幅に向上させることができる。

JQIのJordan StoneとXiyuan Lu、ワシントン州レドモンドにあるMetaのReality Labs ResearchのZhimin Shiを含む研究者たちは、8月21日にLight: Science and Applicationsのオンライン版で調査結果を報告した。