High-power ultrabroadband electro-optic frequency combs in thin-film lithium niobate

光と電気は現代世界の二つのエンジンですが、それぞれ異なる言語を話しています。光は光ファイバーケーブルを駆け抜け、インターネットの膨大なデータストリームを運びますが、電気は銅線を通じてよりゆっくりと動き、コンピュータやセンサのタイミングと論理を制御します。これら二つの領域を効率的に橋渡しすることは、物理学における根本的な課題です。科学者たちは、技術を駆動する高速な電気パルスであるマイクロ波信号を、情報を失ったりエネルギーを無駄にしたりすることなく、直接光へと、またその逆へと変換する方法を長年模索してきました。この変換こそが、より高速な通信、超精密なセンサ、そして繊定的な量子状態を長距離にわたって送る量子ネットワークという新興分野を実現するための鍵となります。この仕事に理想的なツールとは、一定の光のビームを受け取り、それを精密で繰り返されるパルスのパターンへと切り分け、「光周波数コム」を作り出すことができるデバイスです。この「櫛（くし）」を、時間と周波数を驚異的な精度で測定できる、何千もの等間隔の線を持つ光の定規だと考えてください。

長年、研究者たちはこれらのコムを小さなコンピュータチップ上に構築しようと試みてきましたが、ある厄介なトレードオフに直面してきました。強力な信号を作るためには、チップ内部で光とマイクロ波の電気が長い距離を共に進む必要があります。しかし、それらが移動するにつれて、マイクロ波信号は自然に減衰し、光は材料によって吸収されたり散乱されたりします。チップが短すぎると信号は弱くなり、長すぎると、有用な働きをする前に信号が消えてしまいます。この制限により、高性能な光コムは多くの実用的なアプリケーションから遠い存在となっており、エンジニアは、信号が弱い短いものか、あるいは非効率で長いものかの選択を強いられてきました。

カリフォルニア大学バークレー校の研究チームは、光と電気が前例のない距離にわたって相互作用することを可能にする新しい種類のチップを開発することで、この障壁を打破しました。光を高速に操作できることで知られる薄膜ニオブ酸リチウムという材料を使用し、彼らはマイクロ波信号と光のビームを合計36センチメートルの有効長にわたって共に導くデバイスを構築しました。この長い経路を小さなチップに収めるために、彼らは単にデバイスを引き伸ばしたのではなく、光の経路を同じ電界の中を何度も折り返して進むように設計しました。この巧妙な経路の再利用により、チップを数メートル長くする必要なく、光が膨大な変化を蓄積することが可能になりました。その結果、単一の色のレーザー光を、550以上の明確に区別できる光の線を含む幅広いスペクトルへと変えることができるデバイスが誕生しました。これらはすべて完璧に等間隔に配置されています。

この成果の重要性は、プロセスの効率性にあります。これまでの試みでは、このような広範で強力なスペクトルを作り出すには非常に多くのエネルギーが必要であり、光の大部分が熱や吸収によって失われていました。この新しい設計では、入力されたレーザー電力の77パーセントが新しい光のコムへと正常に変換されるという変換効率を達成しました。さらに印象的なことに、平坦で均一なスペクトルを作成するためにデバイスを最適化した際でも、32パーセントの電力を変換し、計187ミリワットの出力を生成することに成功しました。これは大幅な飛躍であり、従来の最高性能のシステムよりも10倍以上の電力を生み出しています。このデバイスは、高速動作において1.5ボルト未満という非常に低い電圧で動作するため、標準的な電子回路との互換性があります。

研究者たちは、この技術が通信に使用されるS、C、Lバンドにわたる幅広い色の範囲で機能することを実証しました。3つの異なるレーザー入力を組み合わせることで、彼らは光学スペクトルの広大な領域にわたる総カバー範囲を拡張しました。デバイスの安定性と精度により、光の線の間隔は駆動するマイクロ波信号によって完全に決定されるため、他の方法では達成が困難な正確な制御が可能になります。このレベルの制御とパワーは、センシングや通信における新たな可能性への扉を開きます。例えば、このような強力なコムは、大気中の微量なガスの検出や、極めて精密な時計の同期に使用できる可能性があります。

この結果に至る道筋には、チップの内部構造の入念な再設計が含まれていました。チームはまず、マイクロ波信号が強度を失うことなく長い距離を移動できることを確認するために、デバイスの短いセクションの特性評価を行いました。その結果、より厚い金属電極と特定のレイアウトを使用することで、マイクロ波の損失を極めて低く抑えられることが分かりました。信号が減衰せずに遠くまで移動できることを確認した後、彼らは折り返し技術を実装しました。これには、光波を電界の中へと導き、その後、電界による押しが打ち消し合うのではなく、蓄積し続けるような方法で、同じ電界を通過するように曲げる工程が含まれます。この建設的な蓄積により、彼らは膨大な変調深さを構築することができ、事実上、光の波を数百の新しい周波数へと捻じ曲げることに成功したのです。

この研究の成功は、集積フォトニクスにおけるサイズと効率の制限が、光と電気の相互作用をより良く設計することによって克服できることを示唆しています。研究者たちは、彼らのアプローチがスケーラブルである、つまり必要に応じてさらに長い相互作用経路を構築するために同じ原理を使用できると述べています。これは、最終的に、単一のチップに収まるほどコンパクトでありながら、マイクロ波と光学ドメインの間のギャップを0.5メートルに近い距離まで埋めるデバイスにつながる可能性があります。高出力で広帯域な光コムをこれほどの効率で生成できる能力は、高度な光学技術を日常的な通信、センシング、コンピューティングにおいてより身近で実用的なものにするための重要な一歩となります。