スーパーモード光共振器を世界で初めて開発(Researchers create first supermode optical resonator)

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複数の光のモードを操ることが可能なデバイス Device is capable of manipulating multiple modes of light

2023-02-01 ハーバード大学

◆チームの最新の成果である、これまで観察されたことのない方法で光を操作できる光共振器。このブレークスルーは、共振器の理解の仕方に影響を与え、新しい機能への扉を開く可能性がある。
◆応用物理学のロバート・L・ウォレス教授とSEAS電気工学のヴィントン・ヘイズ上級研究員であるカパッソ教授は、「これは、光が跳ね返るときにあるパターンから別のパターンに変換する反射鏡を使用した共振器の設計を、根本的に変える進歩です」と語っています。
◆光共振器は、現代生活のさまざまな場面で重要な役割を担っています。光共振器は、光の周波数を通して画像や音声を符号化する、電気通信伝送の鍵です。
◆これまで、共振器とその中にある2枚の反射鏡は、光の強度と周波数を制御していましたが、空間と時間の中を流れる光子の形と方法を決定する光のモードは制御していませんでした。光は直線のようにビームで移動すると思われがちですが、光線は螺旋のように他のモードで移動することも可能です。Capasso教授のチームが開発した新しい光共振器は、光のモードを正確に制御できる初めてのデバイスであり、さらに重要なことは、共振器内にマルチモード結合光を存在させることができることである。
◆研究チームは、共振器デバイスの両端にある反射鏡の表面に新しいタイプのパターンをエッチングすることによって、これを実現しました。
◆研究チームは、約300~600ナノメートルのエッチングによって、共振器内の光ビームの形状を制御することができた。共振器の両端に異なるパターンの反射板を配置することで、光の形状を変化させることができるようになった。複数の光のモードを組み合わせることで、研究者たちが “スーパーモード “と呼ぶものが生まれます。
◆Capassoチームの光共振器は、光を使って物を動かすオプトメカニクスを含む、基礎物理学実験を行うための新しいツールを提供しています。
◆「共振器内に物体を置くと、小さな原子、分子、DNA鎖などの物質を操作することができます」とジニスは言う。この新しいデバイスは、スーパーモード機能を備えており、研究者がさまざまな形状の光ビームで極小の物質を操作するための新たな自由度を解放する可能性があります。

<関連情報>

カスケードモード変換により光路を調整した共振器 Resonators with tailored optical path by cascaded-mode conversions

Vincent Ginis,Ileana-Cristina Benea-Chelmus,Jinsheng Lu,Marco Piccardo & Federico Capasso
Nature Communications  Published:30 January 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-35956-9

スーパーモード光共振器を世界で初めて開発(Researchers create first supermode optical resonator)

Abstract

Optical resonators enable the generation, manipulation, and storage of electromagnetic waves. The physics underlying their operation is determined by the interference of electromagnetic waves, giving rise to the resonance spectrum. This mechanism causes the limitations and trade-offs of resonator design, such as the fixed relationship between free spectral range, modal linewidth, and the resonator’s refractive index and size. Here, we introduce a new class of optical resonators, generating resonances by designing the optical path through transverse mode coupling in a cascaded process created by mode-converting mirrors. The generalized round-trip phase condition leads to resonator characteristics that are markedly different from Fabry-Perot resonators and can be tailored over a wide range. We confirm the existence of these modes experimentally in an integrated waveguide cavity with mode converters coupling transverse modes into one supermode. We also demonstrate a transverse mode-independent transmission and show that its engineered spectral properties agree with theoretical predictions.

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