コンパクトな周波数コームにより、帯域拡大、省エネ

February, 12, 2025, Lausanne--EPFLの研究チームは、コインよりも小さいチップに450nmの光精度を詰め込んだ新しい超広帯域電気光学コムを作成し、よりスマートで効率的なフォトニックデバイスへの道を開いた。

現代の光学の世界では、周波数コムは非常に貴重なツールである。これらのデバイスは、光を測定するための定規として機能し、テレコム、環境モニタリング、さらには天体物理学のブレークスルーを可能にしている。しかし、コンパクトで効率的な周波数コムの構築は、これまで課題となっていた。

1993年に導入された電気光学周波数コムは、カスケード位相変調による光コムの生成に有望視されていたが、高い電力需要と限られた帯域幅のために進歩が遅れた。これにより、この分野はフェムト秒レーザとKerrソリトンマイクロコムが優位に立ち、効果的である一方で、複雑なチューニングと高出力が必要であり、現場での使用が制限されていた。

しかし、近年の薄膜電気光学集積フォトニック回路の進歩により、ニオブ酸リチウム(LN)などの材料への関心が再燃している。それにもかかわらず、より低い電力でより広い帯域幅を達成することは依然として課題であり、LN固有の複屈折(光ビームの分割)も達成可能な帯域幅の上限を設定している。

EPFL、コロラド鉱山学校、中国科学院の科学者たちは、新たに開発されたタンタル酸リチウムプラットフォームでマイクロ波と光回路の設計を組み合わせることにより、これに取り組んでいる。LNと比較して、タンタル酸リチウムは固有複屈折が17倍低いのが特徴。Tobias J. Kippenberg教授が率いる研究チームは、2000本以上のコムラインで前例のない450nmのスペクトルカバレッジを達成する電気光学周波数コムジェネレータを開発した。このブレークスルーにより、デバイスの帯域幅が拡大され、マイクロ波の電力要件が以前の設計と比較して約20倍削減される。

チームは、3つの相互作用フィールド(2つの光学フィールドと1つのマイクロ波)が調和して共鳴する「統合トリプルレゾナント“integrated triply resonant”」アーキテクチャを導入した。これは、モノリシックマイクロ波回路とフォトニックコンポーネントを統合する新しい共同設計システムを使用して達成された。タンタル酸リチウムフォトニクス集積回路に分散コプレーナ導波路共振器を埋め込むことにより、チームはマイクロ波の閉じ込めとエネルギー効率を大幅に改善した。

このデバイスのコンパクトなサイズは、1×1 cm²のフットプリントに収まり、タンタル酸リチウムの低複屈折性を活用することで可能になった。これにより、光波間干渉が最小限に抑えられ、スムーズで一貫した周波数コム生成が可能になる。さらに、このデバイスは、シンプルで自走式の分布帰還レーザダイオードを使用して動作するため、Kerrソリトンの対応物よりもはるかにユーザフレンドリーである。

新しいコムジェネレータの超広帯域スパンは、450nmをカバーし、現在の電気光学周波数コム技術の限界を超えている。これは、自由スペクトル範囲の90%にわたって安定した動作で実現され、複雑なチューニングメカニズムは不要。この安定性とシンプルさにより、実用的で現場で展開可能なアプリケーションへの扉が開かれる。

この新しいデバイスは、フォトニクスの世界におけるパラダイムシフトとなる可能性がある。堅牢な設計とコンパクトな設置面積により、正確なレーザ測距が重要なロボティクスや、正確なガスセンシングが不可欠な環境モニタリングなどの分野に影響を与えることができる。さらに、この協調設計手法の成功は、次世代デバイスのためのマイクロ波とフォトニックエンジニアリングの統合の未開拓の可能性を浮き彫りにしている。