改善されたチップスケールの色変換レーザーは、多くの次世代量子デバイスを可能にする可能性があります

2 つの新しい研究で、国立標準技術研究所 (NIST) の研究者は、すべて同じ入力レーザー光源を使用しながら、異なる色のレーザー光を生成する一連のチップスケール デバイスの効率と出力を大幅に改善しました。

小型光学原子時計や将来の量子コンピューターを含む多くの量子技術では、狭い空間内で複数の大きく変化するレーザー色に同時にアクセスする必要があります。たとえば、原子の準備、冷却、エネルギー状態の読み取り、量子論理演算の実行など、最先端の原子ベースの量子計算設計に必要なすべてのステップには、最大 6 つの異なるレーザー色が必要です。

1 つのチップで複数のレーザー色を生成するために、NIST の研究者である Kartik Srinivasan と彼の同僚は、特殊な特性を持つ窒化ケイ素で作られたものなどの非線形光学デバイスの研究にここ数年を費やしてきました。デバイスに入るレーザー光の色は、出る色とは異なります。彼らの実験では、入射光は 2 つの異なる周波数に対応する 2 つの異なる色に変換されます。たとえば、材料に入射する近赤外レーザー光は、短波長の可視レーザー光 (光源より高い周波数) と長波長の赤外レーザー光 (より低い周波数) に変換されます。

以前の研究で、チームは、光パラメトリック発振として知られるこの変換プロセスが、チップ上で製造できるほど小さいリング型デバイスである窒化シリコン微小共振器内で発生する可能性があることを実証しました。光はリングを約 5,000 回周回し、窒化ケイ素が 2 つの異なる周波数に変換するのに十分な強度を構築します。2 つの色は、リングに隣接し、必要な場所に光を運ぶ 伝送線路または導波路として機能する窒化シリコン製の直線的な長方形のチャネルに結合されます。

生成される特定の色は、微小共振器の寸法と入力レーザー光の色によって決まります。わずかに異なる寸法を持つ多くの異なるマイクロ共振器が製造プロセス中に作成されるため、この技術により、すべて同じ入力レーザーを使用して、単一のチップで幅広い出力色にアクセスできます。

しかし、NIST とメリーランド大学の共同研究者である共同量子研究所 (JQI) の研究者を含む Srinivasan と彼の同僚は、このプロセスが非常に非効率的であることを発見しました。入力レーザー光の 0.1% 未満が、導波路を移動する 2 つの出力色のいずれかに変換されました。チームは、リングと導波管の間の不十分なカップリングが非効率性の原因であると突き止めました。

最初の研究では、Srinivasan と彼の NIST/JQI 共同研究者 (Jordan Stone が率いる) は、直線導波路を再設計して、U 字型にし、リングの一部に巻き付けました。この変更により、研究者は、入射光の約 15% を目的の出力色に変換することができました。これは、以前の実験の 150 倍以上です。さらに、変換された光は、可視光から近赤外までの幅広い波長にわたって 1 ミリワット以上のパワーを持っていました。

Srinivasan 氏によると、1 ミリワットの電力を生成することは画期的な出来事であり、その量は通常、いくつかのアプリケーションには十分な量です。たとえば、小さなレーザーで電子を励起して、原子内のある特定のエネルギー準位から別のエネルギー準位にジャンプまたは遷移させることができます。これらの遷移を励起することは、単一原子または量子ドットなどの原子のようなシステムから、単一光子状態などの光の量子状態を生成するための一般的なプロトコルの一部です。

さらに、レーザーの安定化には、ミリワットの出力レベルで十分です。一部の原子は、非常に安定しており、環境の影響を受けにくい遷移エネルギーを持っています。その結果、レーザー周波数を比較して補正できる優れた基準を提供し、最終的にノイズ特性を改善します。

研究者は、 APL Photonicsの 2022 年 12 月 2 日号でその結果を報告しました。

2番目の研究では、エドガー・ペレスが率いるスリニバサンと彼の同僚が、技術の出力と効率をさらに改善しました。リングと導波路の間の結合を増やし、色変換を妨げる可能性のある影響を抑えることで、チームは出力レーザー出力を 20 ミリワットまで上げ、入射レーザー光の 29% を出力色に変換しました。 . この研究の色は近赤外線に限定されていましたが、チームは作業を可視波長に拡張することを計画しています。

研究者らは、 Nature Communicationsの 2023 年 1 月 16 日号でその発見を報告しました。

（リンク：https://phys.org/news/2023-03-chip-scale-conversion-lasers-enable-next-generation.html）