ハーバード大学の物理学者は、中赤外スペクトルの明るいパルスを放射する強力な新しいオンチップ レーザーを開発しました。中赤外スペクトルは、ガスの検出や新しい分光ツールの実現に使用できる、とらえどころのない非常に有用な光の範囲です。
このデバイスは、外部コンポーネントを必要とせずに、大規模システムの機能を小さなチップに統合します。画期的なフォトニック設計と量子カスケードレーザー技術を組み合わせたもので、数千の光周波数を一度に検出することで環境モニタリングと医療診断にすぐに革命を起こすことが期待されています。
ハーバード大学ジョン A. ポールソン工学応用科学大学院 (SEAS) の物理学者は、中赤外スペクトル (科学的に価値があり、技術的にも難しい波長範囲) の明るい超短光パルスを放射する小型レーザーを開発しました。このデバイスの性能は、より大型のフォトニック システムに匹敵しますが、単一チップ上に完全に統合されています。
本日（4月16日）ジャーナルNatureに掲載されたこの研究は、外部コンポーネントなしで動作するオンチップピコ秒中赤外レーザーパルス発生器の最初の実証となる。レーザーは、高精度測定で広く使用されている光周波数コム (均一に分布した周波数のスペクトル) を生成できます。このコンパクトなプラットフォームは、環境監視用の新世代の広域ガス センサーや、医療画像用の高度な分光ツールを可能にする可能性を秘めています。
この研究は、SEAS応用物理学のロバート・L・ウォレス教授で上級著者のフェデリコ・カパッソ氏と、電気工学の上級研究員ビントン・ヘイズ氏が主導した。このプロジェクトは、ウィーン工科大学 (TU Wien) のシュワルツ氏のグループ、ルイージ A. ルギアト氏率いるイタリアの研究チーム、ティモシー デイ氏が指揮するレオナルド DRS デイライト ソリューションズ社の協力のもと、国立科学財団と国防総省から資金提供を受けました。
「これは、オンチップの非線形フォトニクスを統合して中赤外線の超短光パルスを生成するエキサイティングな新技術です。このようなことはこれまでに行われたことがありません」とカパッソ氏は述べた。 「さらに、このデバイスは標準的な半導体製造プロセスを使用して産業用レーザー鋳造工場で簡単に製造できます。」
コンポーネントを接続する光路を示す中赤外レーザー チップのアーティストの図。画像出典: ルオ・ルンケ
中赤外線帯域は電磁スペクトルの目に見えない部分であり、現在環境分野で広く使用されています。二酸化炭素やメタンなどの多くのガス分子は中赤外光を効果的に吸収するため、この波長範囲は、特に 1990 年代に Capasso が開拓した量子カスケード レーザー技術において、環境ガスを監視するための重要なツールとなっています。
新しい論文は、単一のデバイスでガスのさまざまな吸収指紋を検出できる広帯域光源を生成する方法を示しています。
「これは、単一チップ上で何千もの異なる周波数の光を生成できるスーパーコンティニューム光源と呼ばれるものを作成するための重要なステップです」と、共同筆頭著者であり、カパッソ氏のチームの研究者であるドミトリー・カザコフ氏は述べた。 「これは、このプラットフォームの将来の発展にとって現実的な可能性だと思います。」
量子カスケードレーザーは、さまざまなナノ構造の半導体材料を積層してコヒーレントな中赤外ビームを生成することにより、ナノフォトニクス工学におけるこの新たな成果の基礎となっています。パルスを生成するために数十年にわたって成熟したモードロック技術に依存してきた他の半導体レーザーとは異なり、量子カスケードレーザーは、固有の超高速ダイナミクスのため、依然としてパルスを生成することが困難です。
量子カスケードレーザーに基づく既存の中赤外パルス発生器は、多くの場合、パルス発光を実現するために複雑なセットアップと、多くの個別のハードウェアコンポーネントを必要とします。また、通常は特定の出力パワーとスペクトル帯域幅に制限されます。
量子カスケードフォトニック集積チップの光学顕微鏡画像。図示されているチップには 2 つの同一のデバイスが含まれており、それぞれのデバイスには 4 つのコンポーネント (ファブリー ペロー駆動レーザー、導波路結合器、抵抗ヒーター、およびレーストラック共振器) が含まれています。画像クレジット: Capasso Lab/ハーバード大学工学応用科学大学院
この新しいパルス発生器は、非線形集積フォトニクスと集積レーザーの複数の概念を単一のデバイスにシームレスに組み合わせて、ソリトンと呼ばれる特定のタイプのピコ秒光パルスを生成します。チップのアーキテクチャを設計する際、研究者らは一見無関係に見える光変調デバイス、カー微小共振器からインスピレーションを得た。彼らの創造的な思考により、モードロックなどの従来のパルス生成技術をバイパスすることができました。
「私たちの測定方法は、量子カスケードレーザー研究において従来のものではありません」と、共同筆頭著者であり、MITの大学院生であり、カパッソ氏のチームの研究者でもあるセオドア・レッツー氏は述べた。 「私たちは 2 つの分野を融合し、カー共振器分野の研究から借用して、それを私たちのシステムに適用しました。これはエキサイティングなプロセスでした。」
「私にとって、私たちの新しい研究の最も重要な影響は、素晴らしい物理学に加えて、これまで中赤外集積フォトニクスの課題であった複数コンポーネントのアーキテクチャを製造して動作させる自信を与えてくれたことです」と共著者であるウィーン工科大学のベネディクト・シュワルツ教授は述べた。 「私たちはすでに、これまで不可能だと考えられていた機能を可能にする新しいアーキテクチャを開発しています。」
研究者らは、受動カー共振器の枠組みを確立した1980年代に発表された基本理論に基づいた。新しい論文の共著者の 1 人である Luigi Lugiato は、元の方程式を再利用して中赤外レーザー システムのダイナミクスを説明することに取り組みました。
イタリアのインスブリア大学名誉教授のルギアト氏は、「これはルギアト・レフェベールの方程式から始まった旅のエキサイティングな集大成だ」と語った。 「受動的システムモデルとして始まったものは、現在、さまざまな共振器におけるソリトン周波数コムの統一フレームワークに進化しました。この道筋は、光駆動量子カスケードレーザーにおける閾値を超えるソリトンの予測につながりました。その結果は現在、実験的に確認されています。」
新しい中赤外レーザーは、数時間にわたって確実にパルスを生成できます。重要なことは、既存の工業的製造プロセスを使用して大量生産することもできるため、普及が大幅に加速されることです。このデバイスは 3 つの部分で構成されています。外部から駆動可能なリング共振器です。リング共振器を駆動するオンチップレーザー。そしてフィルターとして機能する 2 番目のアクティブ リング共振器です。このチップはウィーン工科大学で製造されています。
「この技術は、中赤外分光法の分野を真に変革する可能性を秘めています」と、この論文の共著者であり、Leonardo DRS の Daylight Solutions ビジネスユニットの上級副社長兼ゼネラルマネージャーである Timothy Day 氏は述べています。 「既存の製造プロセスを使用してこれらのデバイスの商用大量生産を達成することは、環境モニタリング、産業プロセス制御、ライフサイエンス研究、医療診断などの複数の市場の将来の発展を真に後押しするでしょう。」
/ScitechDaily から編集