ニオブ酸リチウムをベースとした超高速かつ高性能の非線形スプリッター

Jan 12, 2024

2022年8月12日の特集

イングリッド・ファデリ著、Tech Explore

光の挙動と特性を利用する技術である光学は、多くの既存の技術ツールの基礎であり、特にデバイス間の長距離および短距離の高速通信を可能にするファイバー通信システムです。 光信号は情報容量が高く、長距離にわたって送信できます。

カリフォルニア工科大学の研究者らは最近、既存の光学システムの制限の一部を克服するのに役立つ可能性のある新しいデバイスを開発しました。 Nature Photonicsに掲載された論文で紹介されたこのデバイスは、数十フェムトジュールという極めて低い光パルスエネルギーで超短光パルスを切り替えることができるニオブ酸リチウムベースのデバイスです。

「エレクトロニクスとは異なり、光学はコンピューティングと信号処理に必要なコンポーネントの効率がまだ不十分であり、これが超高速で効率的なコンピューティングスキームのための光学の可能性を解き放つ上での大きな障壁となっている」とこの研究の主任研究員であるアリレザ・マランディ氏はPhys.orgに語った。 。 「過去数十年にわたり、この課題に対処できる全光スイッチの開発に多大な努力が注がれてきましたが、エネルギー効率の高い設計のほとんどは、主に高 Q 共振器またはキャリアを使用しているため、スイッチング時間の遅さに悩まされていました。非線形性に基づいています。」

Marandi らによる最近の研究の主な目的は、ニオブ酸リチウムの固有の非線形性を利用して、高性能の光スイッチを開発することでした。 彼らは、このスイッチが超高速 (フェムト秒範囲) であり、超低 (つまりフェムトジュール) エネルギー領域で動作することを望んでいました。

研究者らはデバイスを設計する際に、共振器を一切組み込みませんでした。 その代わりに、エネルギー消費と速度の両方の点でデバイスのスイッチング性能を強化する 2 つの重要な要素を導入しました。

「まず、パラメトリック非線形プロセスの強度はピーク強度に依存するため、ナノ導波路内の光の時空間閉じ込めを利用して非線形相互作用を強化します」とマランディ氏は述べた。 「ナノフォトニックニオブ酸リチウムでは、導波路の断面がナノスケールであることと、フェムト秒パルスがナノスケール導波路を伝播する際にパルスを短く保つことができる分散工学の可能性により、この時空間閉じ込めが可能でした。」

Marandi と彼の同僚によって作成されたデバイスの 2 番目の特徴は、その非線形相互作用の擬似位相整合が設計されていることです。 より具体的には、研究チームは、ナノ導波路に沿ってニオブ酸リチウムの結晶方位を設計し、変更した。

「私たちは、中間に人工欠陥を備えた周期的パターンを使用しています。これにより、非線形プロセスが第二高調波発生（SHG）から光パラメトリック増幅（OPA）に決定的に切り替わります。」と博士研究員で論文の主著者である Qiushi Guo 氏は述べています。と説明した。 「この欠陥の前に波長選択カプラを追加すると、低エネルギーの入力パルスは導波路の前半で効率的なSHGにつながらないため、線形カプラによってドロップされます。しかし、高エネルギーのパルスは効率的なSHGにつながります」入力エネルギーは入力の第 2 高調波波長に保存されるため、カプラーによってドロップされることはありません。欠陥の後、OPA プロセスは信号を入力波長に戻します。」

初期評価において、研究者らは、その設計がフェムトジュールのみのエネルギー消費でありながら、超高速の全光スイッチングを可能にすることを発見しました。 具体的には、同社のデバイスは、80 fJ までの超低スイッチング エネルギーを達成し、集積フォトニクスにおいて ~46 fs という最速のスイッチング時間と 3.7 × 10−27 J s という最低のエネルギー時間積を特徴としています。

「当社のデバイス設計は、主に擬似位相整合の設計方法と超短パルスの利用方法により、以前の全光スイッチとは大きく異なり、その結果として得られる性能は並外れたものです」とマランディ氏は述べています。 「これは、非線形光スプリッタを実現する最も最適な方法の 1 つです。しかし、私たちはこの方法で情報処理について考えることに慣れていません。たとえば、通信の場合、光信号に情報を詰め込む最も広く使用されている方法は、波長分割多重化は、このスイッチング メカニズムと実際には互換性がありません。」

研究者らが開発したスイッチは、通信や情報処理のために情報を光信号に詰め込む技術、いわゆる時分割多重化に特に適している。 この多重化スキームをサポートするデバイスの機能は、超高速速度やその他の光の利点を活用して、この分野で前例のない可能性を開く可能性があります。

「THzクロックレートによる情報処理は、私たちの研究の重要な意味の1つになる可能性があります」とマランディ氏は語った。 「超高速ニオブ酸リチウムナノフォトニクスの可能性は圧倒的です。」

この研究者チームによる最近の研究は、統合された非線形フォトニックデバイスの膨大な可能性を実証しています。 将来的には、デバイスとシステムの両方のレベルでフォトニックおよび光学技術の設計を再考するのに役立つ可能性があります。

マランディ氏らは次の研究で、ユニークで革新的な機能を備えた高性能デバイスの開発を継続する予定だ。 彼らの希望は、大規模で超高速のナノフォトニック回路およびシステムの構築に貢献することです。

「私たちはまた、統合型モードロックレーザーのコアとして当社の非線形スプリッターを活用することに興奮しています」とマランディ氏は付け加えた。 「スプリッタは、受動モードロックの主要な構成要素である「可飽和吸収体」として機能することができ、統合フォトニクスで達成することが困難でした。私たちのデバイスの効果的な可飽和吸収は、並外れた速度とエネルギー効率を備えており、設計は統合レーザーと互換性があります。」

詳しくは：ニオブ酸リチウムナノフォトニクスにおけるフェムトジュールフェムト秒全光スイッチング。 ネイチャーフォトニクス(2022)。 DOI: 10.1038/s41566-022-01044-5。

© 2022 サイエンス X ネットワーク