今日の最も興味深い実験の多くに必要なレーザー波長、特に可視範囲内では、小型のフォトニック集積回路 (PIC) を調達することが課題となっています。しかし、米国国立標準技術研究所 (NIST) のフォトニクス研究者と Octave Photonics の同僚は、この波長アクセス問題の解決策の先頭に立って取り組んでおり、-また、光スイッチング、ルーティング、フィルタリングをサポートするためにさまざまなフォトニクス機能を統合するという課題にも取り組んでいます。
今日の一般的なアプローチの 1 つは、異なるフォトニクス材料を組み合わせて、これらの異なる機能を実現し、存在する強みを活用しようとすることですが、新しいアプリケーションの実現に必要なすべてのスケールでそれを実現できる単一の材料はありません。
NISTの量子・非線形ナノフォトニクスグループの物理学者、グラント・M・ブロドニク氏は、「私たちの研究は、既存のフォトニクス技術との直接的な互換性を備えた『任意の波長レーザー』を実現するという崇高な目標に触発されたものである」と語る。 「また、プラットフォームが直接サポートしているため、周波数コムやスーパーコンティニューム生成などの他の機能も実証しました。これらの機能は、多くの重要なアプリケーションで重要な役割を果たしています。」
ありがとう、非線形光学
人工知能（AI）や量子アプリケーションが要求する速度に達するには、電子から光子への移行が重要です。{0}}チップスケールの「任意の波長」レーザーも同様です。
チームの新しいアプローチの簡単な説明: それは、二酸化ケイ素 (ガラス) と、入射する光の色を変えることができる非線形材料であるニオブ酸リチウムでコーティングされた標準的なシリコン ウェーハから始まります。金属を追加すると、ニオブ酸リチウムを電気的にダイヤルインして、ある色の光を別の色の光に変換できるようになります。-同様の金属-ニオブ酸リチウムインターフェースにより、光の迅速なオン/オフ切り替えが可能になります（高速ルーティングとデータ処理を考えてください）。-
五酸化タンタル、別名タンタラの複雑なパターンを他のフォトニック回路の上に直接堆積することで、多用途のフォトニック プラットフォームを連携して動作させることができます。タンタラは強力な非線形材料であり、可視波長での動作に適しています。 「重要なことに、この材料は（製造に関連する）魅力的な材料特性を備えているため、他のフォトニック材料との直接統合を容易にします」とBrodnik氏は述べています。
研究者らが 3D スタックで互いの上に材料をパターン化したところ、最終的に層間で光を効率的に導く単一チップが完成しました。このチップは、タンタラの光操作能力とニオブ酸リチウムの制御能力を組み合わせたものです。
非線形光学は、現在「それほど秘密のソースではない」物理学であり、「私たちが入力した単一の色から全く新しい色の光を作り出すために」活用されていると Brodnik 氏は説明します。 「カメラで写真を撮る場合、レンズを通過するときに画像の色が変化することは期待できません。しかし、レーザーによって高い光学パワーで非線形材料が提供されると、まさにそのことが起こります。これは、今日多くのカスタムカラーを作成する卓上スケールレーザーを駆動する重要な技術です。私たちはこれらの技術を使用していますが、米粒よりも小さいデバイス内のフォトニック回路を使用しています。」-
ブロドニク氏にとってこの作品の最も素晴らしい点は、「入力光（私たちの目には見えない）を変換することで、新しい、しばしば眩しい色の光がデバイスから飛び出すこと」だと彼は言う。 「研究室では、チップをテスト ステージに置き、動作パラメータをゆっくりと調整すると、鮮やかな青-がチップ全体で輝き始めます。次のデバイスでは青-に変わります。まるで魔法のような気分です。」
彼らの取り組みは「基礎を築き、プラットフォームの可能性を実証しています」と Brodnik 氏は言います。 「私たちは確かに既存の設計のパフォーマンスを最適化するために取り組んでいますが、プラットフォームは新しい機能と設計のノブを解き放ち、私たちが探索することに興奮しています。」
原子遷移とのインターフェースを伴う多くのアプリケーションでは、-量子センシングとコンピューティング-には可視および近赤外線の波長帯にまたがる波長の光が必要であると考えられています。- 「光学データ処理やコンピューティングなど、光の配線やオン/オフの切り替えを迅速に行う必要があるアプリケーションは、材料が提供する他の物理機能を活用することで、プラットフォームの恩恵を受けることができます」とブロドニク氏は言います。 「消費者向けディスプレイ技術もおそらく別の応用例です。私たちが思いつきもしなかった応用例が他にもたくさんあります。-現在、科学界によって検討され、開発されている可能性があります。」
チームには「現在、設計段階にあるエキサイティングなフォトニック アーキテクチャがいくつかありますが、これらのアーキテクチャには、当社のプラットフォームがサポートするすべての機能が必要です」と Brodnik 氏は述べています。 「私たちはまた、おそらく私たちが検討していなかった、または追求するために共有の専門知識を必要としていなかった新しいアイデアやアプリケーションをもたらしてくれた同僚や他の研究者と協力できることに興奮しています。エキサイティングな時代です。」
