指先に載る高性能可視光レーザー(High-performance Visible-light Lasers that Fit on a Fingertip)

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量子光学やAR/VR用レーザーディスプレイなどのインパクトのある技術に向けた大きな前進として、コロンビア工学部のリプソン・ナノフォトニクスグループは、赤より短い可視波長用のチューナブルで狭い線幅のチップスケールレーザーを初めて発明した。 In a significant advance for impactful technologies such as quantum optics and laser displays for AR/VR, Columbia Engineering’s Lipson Nanophotonics Group has invented the first tunable and narrow linewidth chip-scale lasers for visible wavelengths shorter than red.

2023-01-04 コロンビア大学

 システムをチップに小型化することがますます重要になってきています。集積フォトニクスは、データ通信、イメージング、センシング、バイオメディカルデバイスなどのアプリケーションのために、光をコントロールする方法に革命を起こしている。マイクロスケールやナノスケールの部品を用いて光を配線・整形することで、集積フォトニクスは完全な光学システムを小さなチップサイズに縮小している。
しかし、近赤外レーザーの開発は進んでいるが、可視光レーザーはベンチトップ型で高価なため、チップに搭載することは難しい。可視光は量子光学、ディスプレイ、バイオイメージングなど幅広い用途に不可欠であるため、さまざまな色の光を発する可変型かつ狭線幅のチップスケールレーザーが必要とされています。
コロンビア工学部のリプソン・ナノフォトニクス・グループの研究者たちは、近紫外から近赤外までの非常に純粋な色の可視光レーザーを、指先に収まるサイズで実現しました。このレーザーは、色を精密に調整することができ、量子光学などの応用に不可欠な毎秒267ペタヘルツという超高速で発振することができます。研究チームは、赤色以下の色(緑、シアン、青、紫)のチップスケールの狭線幅・波長可変レーザーを世界で初めて実証した。また、この安価なレーザーは、可視光を発する波長可変狭帯域集積型レーザーの中で最も小さなフットプリントと短い波長(404 nm)を有しています。この研究は、2021年5月14日のCLEO 2021ポストデッドラインセッションで初めて発表され、2022年12月23日、Nature Photonicsのオンライン版で公開されました。
赤色よりも短い波長を発するレーザーの重要性は明らかです。例えば、ディスプレイは、任意の色を構成するために、赤、緑、青の光を同時に必要とします。量子光学では、原子やイオンの捕獲や冷却に緑、青、紫のレーザーが使われる。水中ライダーでは、水の吸収を防ぐために緑や青の光が必要です。しかし、赤色より短い波長では、光集積回路の結合損失や伝搬損失が著しく増大するため、これらの色のレーザーの高性能化は実現されていない。
結合損失と伝搬損失の問題を解決ー研究者らは、光源にファブリペロー(FP)ダイオードを選択することで、結合損失の問題を解決し、損失がチップスケールレーザーの性能に与える影響を最小にした。異なる種類の光源を用いる他の戦略とは異なり、このアプローチでは、記録的な短波長(404 nm)のレーザーを実現するとともに、高い光出力への拡張性も備えている。FPレーザーダイオードは、研究・産業分野で広く用いられている安価でコンパクトな固体レーザーである。しかし、複数の波長を同時に発振し、波長可変が容易でないため、純粋で精密なレーザーを必要とする用途に直接使用することができませんでした。今回、特別に設計したフォトニックチップと組み合わせることで、レーザー発光を単一周波数、狭線幅、広帯域にチューニングできるように変更することに成功した。
研究チームは、可視光の全波長について、物質吸収と表面散乱の両損失を同時に最小化するプラットフォームを設計することで、伝搬損失の問題を克服した。光を導くために、半導体産業で広く使われている誘電体で、すべての色の可視光に対して透明な窒化シリコンを使用した。しかし、吸収が少ないとはいえ、製造工程で避けられない粗さがあるため、光は損失してしまう。そこで研究チームは、特殊なリング共振器を用いたフォトニック回路を設計し、この問題を解決した。リング共振器は円周方向に幅を変えることができ、細い導波路のようなシングルモード動作と、広い導波路のような低損失を可能にする。この光回路は、FPダイオードに波長選択的な光フィードバックを与え、レーザーが非常に狭い線幅で目的の単一波長で放射されるようにします。

<関連情報>

近紫外から近赤外までの広帯域・狭線幅のチップサイズレーザーを実現 Widely tunable and narrow-linewidth chip-scale lasers from near-ultraviolet to near-infrared wavelengths

Mateus Corato-Zanarella,Andres Gil-Molina,Xingchen Ji,Min Chul Shin,Aseema Mohanty & Michal Lipson
Nature Photonics  Published:23 December 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-022-01120-w

Abstract

Widely tunable and narrow-linewidth lasers at visible wavelengths are necessary for applications such as quantum optics, optical clocks and atomic and molecular physics. At present, the lasers are benchtop systems, which precludes these technologies from being used outside research laboratories. Here we demonstrate a chip-scale visible laser platform that enables tunable and narrow-linewidth lasers from near-ultraviolet to near-infrared wavelengths. Using micrometre-scale silicon nitride resonators and commercial Fabry–Pérot laser diodes, we achieve coarse tuning up to 12.5 nm and mode-hop-free fine tuning up to 33.9 GHz with intrinsic linewidths down to a few kilohertz. In addition, we show fine-tuning speeds of up to 267 GHz µs−1, fibre-coupled powers of up to 10 mW and typical side-mode suppression ratios above 35 dB. These specifications of our chip-scale lasers have only been achieved previously using large state-of-the-art benchtop laser systems, making our lasers stand out as powerful tools for the next generation of visible-light technologies.

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