チップ上で光スペクトラムを統合

October, 1, 2025, Passadena--広範囲の周波数をカバーする集束レーザのような光は、多くの科学研究や、半導体電子チップ製造の品質管理など、多くのアプリケーションにとって極めて望ましいものである。しかし、このような広帯域でコヒレントな光を作成することは、かさばるエネルギーを大量に消費する卓上デバイス以外では実現することが難しかった。

現在、カリフォルニア工科大学(Caltech)の電気工学および応用物理学の教授Alireza Maradiが率いるCaltechのチームは、非常に広い範囲のレーザ光周波数を超高効率で生成できる小さなデバイスを作成した。この研究は、通信やイメージングから分光法に至るまで、様々な環境での原子や分子の検出に役立つ幅広い分野で可能性を秘めている。

研究チームは、新しいナノフォトニックデバイスとアプローチについて、Nature Photonics誌に掲載された論文で説明しているこの論文の筆頭著者は、Marandi研究室の大学院生中にこの研究を完了したRyoto Sekine(PhD ’25)。

「われわれは、単一のナノフォトニックデバイスとフェムトジュール範囲の低入力エネルギーで、可視波長から中赤外線まで、電磁スペクトルの広いセクションを実際にカバーできることを示している。これはこれまでに行われたことのないことである」(Marandi)。

Ｃａｌｔｅｃｈのデバイスは、1965 年以来存在している技術である光パラメトリック発振器 (OPO) を使用している。基本的に、OPO は共振器であり、入力周波数で入射レーザ光を受け取り、慎重なエンジニアリングにより様々な周波数の光を生成できる特殊な非線形結晶 (ここではニオブ酸リチウム) を使用する小さな人工ライト トラップであめ。

一般に、OPO は狭い周波数範囲のレーザ光源から開始し、異なる周波数で出力を生成するが、それでも範囲は狭い。通常、それらは、広く調整可能な、または調整可能な出力周波数を備えたレーザのような光源として使用されてきた。

光コーム
しかし、この研究では、Marandiらはチップ上のナノスケールでOPOを設計し、周波数コムと呼ばれるもの、つまり入力エネルギーをほとんど入力せずに広範囲の周波数にわたって等間隔に配置されたレーザのような光のスペクトルを生成した。周波数コームは驚くほど広いスペクトル範囲をカバーし、見える可視光から長い中赤外波長までシャープで安定したラインを提供する。

2人の科学者が、周波数コム技術を開発した功績により、2005年のノーベル物理学賞の分け前を獲得した。単色の光を放射する従来のレーザとは異なり、周波数コームは周波数範囲にわたる光の定規のように機能する。原子時計の精度や光による測定から環境モニタリングまで、あらゆるものを向上させるために使用されている。

しかし、Marandiは、「周波数コームには2つの主な課題があった。1つはソースが大きすぎること、もう1つは、異なる目的のスペクトルウィンドウでそれらを作成するのが難しいことだ。われわれの研究は、これら両方の問題を解決するための道を提供する。」

新しいデバイスの主な進歩は、Marandiが分散工学と表現するもの(異なる波長の光がデバイスを通過する方法を形成し、光が広がるのではなく一緒に留まるようにする)と、慎重に設計された共振器構造である。これらを組み合わせることで、デバイスはスペクトルを効率的に広げ、コヒレンスを維持しながら、非常に低いしきい値(つまり動作を開始するエネルギー)で動作させることが可能になる。

驚くほど広いコヒーレントスペクトル
Marandiによると、彼とチームはデバイスの性能に驚いたという。「電源を入れてパワーを上げた。スペクトルを見ると、非常に広いことが分かった。特に、超広域スペクトルが実際に首尾一貫していたことに驚いた。これは、OPOがどのように機能するかについての教科書の説明に反していた」(Marandi)。

これにより、研究チームはシミュレーションと理論に戻り、それがどのように実現するのかを理解しようとした。シミュレーションでは、入射光のエネルギーをしきい値以上に上げると、スペクトルがインコヒーレント、つまり様々な波長の位相が固定されず、周波数コムが生成されなくなる。しかし、研究室に戻ると、しきい値より遠くまで動作すると、スペクトルは一貫していた。

「OPOが閾値をはるかに超え、一貫性が再確立されるという新しいOPOオペレーションがあることを発見するのに、おそらく6か月かかった。このOPOの閾値は以前のOPOよりも桁違いに低く、分散と共振器は以前のOPOの実現とは異なり、この驚異的なスペクトル拡大を観察することができ、これは他のスペクトル拡大スキームよりもエネルギー効率が桁違いに高い」とMarandiは説明している。

研究チームによると、この研究により、現在卓上セットアップで見られる周波数コムベースの技術が統合フォトニックデバイスに移行する方法を再構築できる可能性がある。安定した周波数のコムを作成するために使用される主な技術の 1 つは、スペクトルを大幅に広げる必要がある。このような広がりに必要なエネルギーは、周波数コム技術のオンチップ統合を妨げるボトルネックの1つだった。

それを超えて、分子の測定に使用されるほとんどの十分に開発されたレーザや検出器を含むフォトニック技術の大部分は、近赤外または可視範囲で動作する。近赤外レーザを入力周波数として開始し、光を効率的に変換して中赤外領域のコヒーレント光を出力するOPOにより、分光法を扱う研究者などは、より低い周波数で豊富な情報にアクセスできる可能性がある。同時に、このような装置により、原子分光法の高周波範囲へのアクセスが可能になる。
論文タイトル “Multi-Octave Frequency Comb from an Ultra-Low-Threshold Nanophotonic Parametric Oscillator.”