概要 レーザーは 1960 年代から世界に革命をもたらし、最先端の手術や精密製造から光ファイバー データ伝送まで、現代のアプリケーションに欠かせないツールとなっています。しかし、レーザー アプリケーションの需要が高まるにつれて、課題も生じています。たとえば、ファイバー レーザーの市場は拡大しており、現在は主に工業用の切断、溶接、マーキング アプリケーションで使用されています。ファイバー レーザーは、希土類元素 (エルビウム、イッテルビウム、ネオジムなど) をドープした光ファイバーを光利得媒体として使用します。ファイバー レーザーは、高品質のビーム、高出力、高効率、低メンテナンス コスト、耐久性を実現し、一般にガス レーザーよりも小型です。ファイバー レーザーは、低位相ノイズの「ゴールド スタンダード」でもあり、ビームを長期間安定させることができます。それにもかかわらず、チップ スケールのファイバー レーザーの小型化に対する需要が高まっています。エルビウム ベースのファイバー レーザーは、レーザーの高いコヒーレンスと安定性を維持するためのすべての要件を満たすため、特に注目されています。 しかし、ファイバーレーザーの小型化においては、小規模でもファイバーレーザーの性能を維持することが常に課題となっていました。
現在、EPFL のヤン・リウ博士とトビアス・キッペンベルグ教授が率いる科学者チームは、幅広い波長調整機能とチップ規模のフォトニック統合の実用性を兼ね備えながらファイバーレーザーの性能に迫る、初のチップ統合型エルビウム添加導波路レーザーを開発しました。この研究は Nature Photonics 誌に掲載されました。
ファイバーレーザーのコヒーレンスとこれまで実現できなかった周波数調整機能を提供する、シリコン窒化物フォトニック集積チップに基づく、完全にパッケージ化されたハイブリッド集積エルビウムレーザーの画像。出典: Andrea Bancora および Yang Liu (EPFL)。
チップスケールレーザーの製造
研究者らは、最先端の製造プロセスを使用して、チップスケールのエルビウムレーザーを開発した。彼らはまず、超低損失シリコン窒化物フォトニック集積チップ上に、長さ 1 メートルのオンチップ光キャビティ (光フィードバックを提供するミラーのセット) を構築した。「チップのサイズが小さいにもかかわらず、これらのマイクロホール共振器を統合することで、レーザーキャビティを 1 メートルの長さに設計することができました。これにより、デバイスを物理的に拡大することなく、光路を効果的に延長できます」と、ヤン・リウ博士は述べた。次に、チームはチップに高濃度のエルビウムイオンを注入して、レーザー発振に必要なアクティブゲイン媒体を選択的に生成した。最後に、彼らは回路を III-V 半導体ポンプレーザーと統合して、エルビウムイオンを励起し、光を放出してレーザービームを生成した。
図 1: ハイブリッド統合 Er:Si3N4 レーザー。出典: Yang Liu、Zheru Qiu、Xinru Ji 他、「完全ハイブリッド統合エルビウムベースレーザー」、Nature Photonics (2024)。レーザーの性能を改良し、正確な波長制御を可能にするために、研究者らは、特定の光周波数を選択できる光フィルターであるマイクロポアベースのバーニアフィルターを使用した革新的なキャビティ内設計を考案しました。このフィルターは、レーザー波長を広範囲にわたって動的に調整できるため、多用途でさまざまな用途に適しています。この設計は、固有の線幅がわずか 50 Hz の安定したシングルモードレーザーをサポートします。
また、サイドモードの抑制も顕著で、レーザーは単一の安定した周波数で光を放射しながら、他の周波数（「サイドモード」）の強度を最小限に抑えることができます。これにより、高精度のアプリケーションにおいて、スペクトル範囲全体にわたって「クリーン」で安定した出力が保証されます。
図 2: シングルモード レーザーで動作するハイブリッド統合 Er:Si3N4 バーニア レーザー。出典: Yang Liu、Zheru Qiu、Xinru Ji 他、「完全ハイブリッド統合エルビウム ベース レーザー」、Nature Photonics (2024)。パワー、精度、安定性、低ノイズ チップ スケールのエルビウム ファイバー レーザーは、出力が 10 mW 以上、サイド モード抑制比が 70 dB 以上で、従来の多くのシステムよりも優れています。また、線幅が非常に狭いため、放出される光は非常に純粋で安定しており、センシング、ジャイロスコープ、ライダー、光周波数計測などのコヒーレント アプリケーションにとって重要です。 マイクロホールベースのバーニア フィルターにより、レーザーは C バンドと L バンド (通信に使用される波長範囲) で 40 nm の広い波長調整が可能になり、現在の半導体製造プロセスとの互換性を保ちながら、従来のファイバー レーザーよりも優れた調整と低スペクトル スパー (「スパー」は不要な周波数) が実現します。
図 3: レーザー波長の広帯域チューニングのデモンストレーション。出典: Yang Liu、Zheru Qiu、Xinru Ji、他「完全ハイブリッド統合エルビウムベースレーザー」、Nature Photonics (2024)。次世代レーザー
エルビウムファイバーレーザーを小型化してチップスケールデバイスに統合すると、全体的なコストが削減され、通信、医療診断、民生用電子機器のポータブルで高度に統合されたシステムに役立つようになります。
図 4: 完全ハイブリッド統合レーザーのノイズ特性と EDWL。出典: Yang Liu、Zheru Qiu、Xinru Ji 他、「完全ハイブリッド統合エルビウムベースレーザー」、Nature Photonics (2024)。また、LIDAR、マイクロ波フォトニクス、光周波数合成、自由空間通信など、さまざまなアプリケーション向けに光学技術をスケールダウンすることもできます。Yang Liu 博士は、「この新しいエルビウムドープ統合レーザーのアプリケーション領域は事実上無限です」と述べています。
