日常生活におけるレーザーの使用は比較的一般的になってきており、レーザーは肉眼では見えない自然界のものを観察、分析、定量化するための重要なツールでもあります。残念なことに、これらの作業は過去には制限されていました。大型で高価な器具を使用する必要がある。
ニューヨーク市立大学とカリフォルニア工科大学の科学者チームは、ナノフォトニックチップ上に高性能の超高速レーザーを製造する新しい方法を実験的に実証しました。彼らは、世界初の電気励起モードロックレーザーを高出力で実証しました。ピークパルスパワーは薄膜ニオブ酸リチウムフォトチップに統合されています。 この研究は最近、サイエンス誌にカバーストーリーとして掲載されました。
研究チームリーダーのQiushi Guo氏によると、この研究は小型モードロックレーザーに基づいており、フェムト秒間隔で一連の超短コヒーレント光パルスを放射する独自のレーザーを放射するという。
超高速モードロックレーザーは、化学反応における分子結合の形成と切断の研究や、乱流媒体中の光伝播のダイナミクスの探索など、自然界の最速の時間スケールの謎を解明する上で中心的な役割を果たします。
モードロックレーザーの開発は、その高速パルスピーク強度と広いスペクトル範囲により、光原子時計、バイオイメージング、光ベースのデータ計算などのさまざまなフォトニクス技術の開発も促進しました。コンピューターで。
残念ながら、今日の最先端のモードロックレーザーでさえ依然として高価で電力を大量に消費するため、その使用は主に実験室環境に限定されています。
前述のチームの目標は、大規模な実験室システムを大量生産して現場で展開できるチップサイズのシステムに変換することで、超高速フォトニクスの分野に革命を起こすことです。 彼らは単に小型化したいだけではなく、これらの超高速チップサイズのレーザーが満足のいくパフォーマンスを提供できるようにしたいとも考えています。 たとえば、有意義なチップスケール システムを構築するには、十分なピーク パルス強度、できれば 1 ワット以上が必要です。
ただし、効率的なモードロック レーザーをチップ上に実現して統合することは困難な作業です。 この研究では、革新的な材料プラットフォームである薄膜ニオブ酸リチウム (TFLN) を使用します。 この材料を使用すると、外部 RF 電気信号を追加することで、レーザー パルスを正確に制御し、効率的に形成することができます。
Guo氏のチームは実験で、III-V族半導体の高いレーザー利得特性とTFLNナノフォトニック導波路の高効率パルス整形能力を巧みに組み合わせ、最終的に最大出力ピークパワーが0.5ワットのレーザーを実証した。 。
彼らが実証したモードロックレーザーは、そのコンパクトなサイズに加えて、将来のアプリケーションに大きな期待をもたらす可能性のあるいくつかのエキサイティングな新機能を備えています。
たとえば、Guo 氏は、レーザーのポンプ電流を正確に調整することで、200 MHz の広い範囲にわたって出力パルスの繰り返し周波数を微調整できる機能を実現しました。 チームは、デモンストレーション用レーザーの堅牢な再構成機能を利用して、高精度センシングアプリケーションに不可欠なチップスケールの周波数安定化コムソースを容易にしたいと考えています。
ポータブルおよびハンドヘルドデバイス向けにスケーラブルで統合された超高速フォトニックシステムを実現することは、クオ氏のチームにとってさらなる課題となる一方で、今回のデモンストレーションは大きなハードルを克服する上で重要なマイルストーンとなる。
この成果により、携帯電話を使用して目の病気を診断したり、食品や環境中の大腸菌や危険なウイルスを分析したりする道が開かれました。 また、将来のチップスケールの原子時計の作成にも役立ち、GPS が損傷しているか利用できない場合でもナビゲーションを可能にする可能性があります。
科学者たちはこの最新の実証で大きなハードルを乗り越えた。 それにもかかわらず、科学者たちは、ポータブルおよびハンドヘルドデバイスで使用できるスケーラブルで統合された超高速フォトニックシステムを開発するというさらなるハードルに取り組むことを楽しみにしています。
