研究者らは、アクティブモードロックにニオブ酸リチウムを使用して、フォトニックチップ上にコンパクトなモードロックレーザーを製造する新しい方法を開発した。この技術は、大規模な超高速レーザー実験をチップスケール形式に実現することを約束しており、パルス持続時間をさらに短縮し、ピーク出力を増加させる計画がある。
レーザーは日常生活の中で比較的一般的になりましたが、レイブ パーティーでライト ショーを提供したり、食料品のバーコードをスキャンしたりする以外にも、多くの用途があります。レーザーは、電気通信、コンピューティング、生物学、化学、物理研究の分野でも重要です。
後者の用途では、1 兆分の 1 秒 (1 ピコ秒) 以下の超短パルスを放射できるレーザーが特に役立ちます。このような短い時間スケールで動作するレーザーを使用すると、研究者は、たとえば、化学反応中の分子結合の形成または切断、または材料内の電子の移動など、非常に急速に発生する物理的および化学的現象を研究できます。これらの超短パルスは、ピーク強度が非常に高いものの平均パワーが低いため、生体組織などのサンプルの加熱や燃焼を避けることができるため、イメージング用途でも広く使用されています。
Science誌に掲載された論文の中で、カリフォルニア工科大学電気工学および応用物理学の助教授であるアリレザ・マランディ氏は、モードロックレーザーと呼ばれるそのようなレーザーをフォトニックチップ上に作成するために彼の研究室が開発した新しい方法について説明しています。レーザーはナノスケールのコンポーネント (ナノメートルは 10 億分の 1 メートル) を使用して構築されており、現代のエレクトロニクスに見られる電気ベースの集積回路と同様に、光ベースの回路に統合できます。
「私たちは、モードロックレーザーをよりコンパクトにすることだけに興味があるわけではありません」とマランディ氏は語った。 「私たちは、ナノフォトニクスチップ上で優れた性能のモードロックレーザーを作成し、それを他のコンポーネントと組み合わせることができることに興奮しています。その時点で、集積回路内に完全な超高速フォトニックシステムを構築できるようになります。これにより、現在メートルスケールの実験に属している超高速科学技術の富がミリメートルスケールのチップにもたらされるでしょう。」
超高速レーザーとノーベル賞受賞
このような超高速レーザーは研究にとって非常に重要であるため、今年のノーベル物理学賞は、アト秒パルス（アト秒は5分の1秒）を生成できるレーザーを開発した3人の科学者に授与されました。しかし、そのようなレーザーは現在非常に高価でかさばっており、マランディ氏は、彼の研究では、手頃な価格で展開可能な超高速フォトニック技術を開発することを目標に、はるかに安価で小型のチップ上でそのようなタイムスケールを達成する方法を模索していると述べた。
「これらのアト秒実験は、ほとんどの場合、超高速モードロックレーザーを使用して行われます」と彼は言いました。 「これらの実験の中には、最大1,000万ドルかかる場合もあり、その大部分はモードロックレーザーのコストです。私たちは、これらの実験と機能をナノフォトニクスで再現する方法を考えることに興奮しています。」
マランディの研究室で開発されたナノフォトニクスモードロックレーザーの中心となるのは、外部高周波電気信号の印加によってレーザーパルスを制御し、成形することを可能にする独特の光学的および電気的特性を備えた合成塩であるニオブ酸リチウムである。このアプローチは、キャビティ内位相変調アクティブ モード ロックと呼ばれます。
「約50年前、研究者らは机上実験でモードロックレーザーを作成するためにキャビティ内位相変調を使用していましたが、この方法は他の技術と比べてあまり適していないと考えていました」と論文の筆頭著者でマランディ研究室の元博士研究員であるGuo Qiushi氏は述べた。 「しかし、それが当社の統合プラットフォームに最適であることがわかりました。」
「小型であることに加えて、私たちのレーザーはさまざまな魅力的な特性を示します。たとえば、出力パルスの繰り返し率を広範囲にわたって正確に調整できます。これを利用して、周波数計測や高精度センシングに不可欠なチップスケールの安定した周波数コム光源を開発できます」と、現在ニューヨーク市立大学先端科学研究センターの助教授であるGuo氏は付け加えた。
将来の目標と研究への影響
マランディ氏の目標は、より短い時間スケールでより高いピーク電力で動作できるように技術を改良し続けることであり、50フェムト秒(フェムト秒は1兆分の1秒)に達することを目標とし、これは4.8ピコ秒の長さのパルスを生成する現在のデバイスと比較して100倍の改善となると述べた。
この研究を紹介する論文「ナノフォトニックニオブ酸リチウムにおける超高速モードロックレーザー」は、サイエンス誌11月9日号に掲載された。