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Jul 26, 2023

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

2022 年 8 月 12 日の特集、Ingrid Fadelli、Tech Xplore Optics は、光の挙動と特性を活用するテクノロジーであり、多くの既存の技術ツール、特にファイバーの基礎となっています。

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、長距離にわたって伝送できます。

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。

デバイスを設計する際、研究者らは共振器を組み込んでいませんでした。 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。