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2024-06-20 19:42:04
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わかりました！数百の微小なリングを備えた新しいチップが、初のトポロジカル周波数コムを生成しました。クレジット: E. エドワーズ
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数百の微小なリングを備えた新しいチップが、初のトポロジカル周波数コムを生成しました。クレジット: E. エドワーズ
コンパクトで堅牢な多色レーザー光源を探求する科学者たちが、初のトポロジカル周波数コムを生成した。 彼らの結果数百の微細なリングがパターン化された小さな窒化シリコンチップを利用したこの研究は、サイエンス誌に掲載されている。
日常からの光 レーザ 単一の、はっきりと定義された色、つまり単一の周波数で輝きます。 周波数コム 周波数コムは、強化されたレーザーのようなものですが、単一の周波数の光を放射するのではなく、多くの純粋で均等な間隔の周波数スパイクで輝きます。スパイク間の均等な間隔は櫛の歯に似ているため、周波数コムはこのように呼ばれています。
初期の周波数コムは、作成に大型の装置を必要としました。最近では、研究者はそれを小型化して統合型にすることに注力しています。 チップベースのプラットフォーム。周波数コムを生成するために必要な機器の小型化は大きく進歩しましたが、基本的な考え方は変わっていません。有用な周波数コムを作成するには、安定した光源と、光源が強くなったときに生じる光学的利得、損失、その他の効果を利用して、その光をコムの歯に分散させる方法が必要です。
新しい研究では、メリーランド大学（UMD）のミンタ・マーティン電気・コンピュータ工学物理学教授でもあるJQIフェローのモハマド・ハフェジ氏、国立標準技術研究所のフェローでもあるJQIフェローのカルティック・スリニバサン氏、および数人の同僚が、2つの研究ラインを組み合わせて、周波数コムを生成する新しい方法を生み出しました。
1 つのラインは、半導体から製造された微小な共振器リングを使用して、周波数コムの作成を小型化しようとしています。2 つ目は、繰り返し構造のパターンを使用して、製造時の小さな欠陥の影響を受けない光の経路を作成するトポロジカル フォトニクスです。
「周波数コムの世界は、単一リングの統合システムで爆発的に発展しています」と、JQI と UMD 物理学部の大学院生で、この新しい論文の主執筆者であるクリス・フラワー氏は言う。「私たちのアイデアは基本的に、同様の物理現象を数百の結合リングの特殊な格子で実現できるかどうかというものでした。これは、システムの複雑さのかなり大きな増大でした。」
フラワー氏と彼の同僚は、2次元グリッドに配置された数百の共振器リングを備えたチップを設計することにより、入力レーザー光をチップの端の周囲に循環させながら、チップ自体の材料によってそれを多数の周波数に分割する複雑な干渉パターンを設計した。
実験では、研究者らはチップの上から光のスナップショットを撮り、実際にチップの端を周回していることを示した。また、光の一部を抜き出してその周波数の高解像度分析を実施し、周回する光が周波数コムの構造を二重に持っていることを実証した。研究者らは、比較的幅の広い歯を持つコムを 1 つ発見し、各歯の中に小さなコムが隠れていることを発見した。
この入れ子型コムは現時点では概念実証に過ぎず、歯の間隔が均等ではなく、ノイズが多すぎて完璧とは言えないが、この新しいデバイスは、最終的には原子時計、距離測定検出器、量子センサー、および光の正確な測定を必要とする他の多くのタスクに使用できる、より小型で効率的な周波数コム装置につながる可能性がある。
理想的な周波数コムのスパイク間の間隔は明確に定義されているため、周波数コムはこれらの測定に最適なツールとなります。定規の等間隔の線が距離を測定する方法を提供するのと同様に、周波数コムの等間隔のスパイクは光の未知の周波数の測定を可能にします。周波数コムを別の光源と混合すると、2 番目の光源に存在する周波数を明らかにする新しい信号が生成されます。
繰り返しは繰り返しを生む
少なくとも質的には、新しいチップ上の微細なリング共振器の繰り返しパターンは、そのエッジの周囲を循環する周波数スパイクのパターンを生み出します。
マイクロリングは個々に非常に小さなセルを形成し、光子（光の量子粒子）がリングからリングへと飛び移れるようにします。マイクロリングの形状とサイズは、異なる飛び移り経路間で適切な干渉が生じるように慎重に選択されており、個々のリングを合わせるとスーパーリングが形成されます。全体として、すべてのリングが入力光を櫛の多数の歯に分散させ、グリッドの端に沿って導きます。
マイクロリングとより大きなスーパーリングは、システムに 2 つの異なる時間と長さのスケールを提供します。これは、光がより大きなスーパーリングを周回するのに、より小さなマイクロリングよりも長い時間がかかるためです。これにより、最終的に 2 つのネストされた周波数コムが生成されます。1 つは、より小さなマイクロリングによって生成される粗いコムで、周波数スパイクの間隔が広くなっています。これらの粗い間隔のスパイクのそれぞれには、スーパーリングによって生成されるより細かいコムが存在します。
著者らは、ロシアの入れ子人形を彷彿とさせる、櫛の中に櫛が入れ子になったこの構造は、偶然に大きなギャップで隔てられた 2 つの異なる周波数の正確な測定を必要とする用途に役立つ可能性があると述べています。
新しい実験の概略図。入射パルスレーザー光（ポンプレーザー）は、数百のマイクロリングを収容するチップに入ります。研究者はチップの上にある赤外線カメラを使用して、チップの端を周回する光の画像を撮影し、スペクトルアナライザーを使用して、周回する光の中にネストされた周波数コムを検出しました。クレジット: C. フラワー
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新しい実験の概略図。入射パルスレーザー光（ポンプレーザー）は、数百のマイクロリングを収容するチップに入ります。研究者はチップの上にある赤外線カメラを使用して、チップの端を周回する光の画像を撮影し、スペクトルアナライザーを使用して、周回する光の中にネストされた周波数コムを検出しました。クレジット: C. フラワー
物事を正しく理解する
実験が完成するまでに4年以上かかり、チームが設計したチップを製造できるのは世界で1社だけだったという事実によって問題はさらに悪化した。
初期のチップサンプルには、厚すぎて曲がりが鋭すぎるマイクロリングがありました。入力光がこれらのリングを通過すると、さまざまな望ましくない方法で散乱し、周波数コムを生成する望みが消えてしまいました。
「このため、第1世代のチップはまったく機能しなかった」とフラワー氏は言う。彼は設計に戻り、リングの幅を狭めて角を丸くし、最終的に第3世代のチップにたどり着き、2022年半ばに納品された。
チップ設計を繰り返しながら、フラワー氏と彼の同僚は、チップに十分なレーザー出力を供給するのが難しいことも発見しました。チップが機能するには、入力光の強度が閾値を超える必要があり、そうでない場合は周波数コムが形成されません。
通常であれば、チームは連続光線を照射する市販の CW レーザーを採用するでしょう。しかし、それらのレーザーはチップに過度の熱を照射するため、チップが焼損したり膨張したりして、光源との位置がずれてしまいます。チームはこれらの熱問題に対処するためにエネルギーを集中させる必要があり、そこで、1 秒未満の短い時間でエネルギーを照射するパルス レーザーに方向転換しました。
しかし、それによって新たな問題が生じた。市販のパルスレーザーのパルスは短すぎ、周波数が多すぎた。チップが周波数コムに分散するように設計された特定のエッジ制限光ではなく、チップのエッジと中央の両方に不要な光の乱雑さをもたらす傾向があった。新しいチップを入手するには長いリードタイムと費用がかかるため、チームはピークパワーの供給と持続時間の長い調整可能なパルスのバランスが取れたレーザーを見つける必要があった。
「私は基本的にすべてのレーザー会社にメールを送りました」とフラワー氏は言う。「私はカスタムのチューナブルで長パルス持続のレーザーを作ってくれる会社を探しました。ほとんどの人は [that] 彼らは [didn’t] 「彼らはカスタムレーザーを作るには忙しすぎると答えました。しかし、フランスのある会社から連絡があり、『それはできます。話し合いましょう』と言われました。」
彼の粘り強さが報われ、新しいレーザー用のより強力な冷却システムを設置するためにフランスと数回往復したあと、チームはついに適切な種類の光をチップに送り込み、ネストされた周波数コムが出てくるのを確認した。
研究チームによれば、今回の実験はシリコン窒化物で作られたチップに特化しているが、その設計は他のフォトニック材料にも簡単に応用でき、異なる周波数帯域でコムを生成できるという。また、研究チームは、このチップがトポロジカルフォトニクスの研究のための新しいプラットフォームの導入となると考えている。特に、比較的予測可能な動作と周波数コムの生成のようなより複雑な効果の間に閾値が存在するアプリケーションではそうだ。
詳しくは：
Christopher J. Flower他「トポロジカル周波数コムの観測」、Science (2024)。 DOI: 10.1126/science.ado0053
ジャーナル情報:
科学
#新しいフォトニックチップがネストされたトポロジカル周波数コムを生み出す