ハーバードとコロンビア大、光の色を変える新しいシステムを開発

●　研究者は、同じ位相や運動量を持っていなくても、ある波長の光を別の波長に変換するシステムを開発。

●　ニオブ酸リチウム導波路に統合されたシリコンナノ構造で作られたメタサーフェスに依存している。

●　広い帯域幅範囲で効率的に動作が可能。

電子の代わりに光を使用してデータを伝送したり送信する集積フォトニック回路の構築は非常に複雑な作業です。多くの困難な課題が伴い、そのうちの1つは光の勢いを制御することです。

異なる光色は異なる速度で媒体を通過します。光の色を切り替えるには、同じ位相または運動量が必要です。実際、集積回路全体のさまざまなポイントで光の位相または運動量を一致させるためにいくつかの機器が構築されています。

今回、ハーバード大学とコロンビア大学の研究者は、同じ位相や運動量を持っていなくてもある波長の光を別の波長に変換できるシステムを開発しました。

カラーチェンジコンバーター

波長変換プロセスを効果的かつ効率的にするには、位相を一致させるように設計する必要があり、単一の波長でのみ動作します。しかし、新しいデバイスは位相または運動量の一致要件を満たす必要はなく、さまざまな色の光を変換できます。

デバイスの動作は、ニオブ酸リチウム導波路に統合されたシリコンナノ構造でできているメタサーフェスに依存しています。光は、導波路を通過する間にこれらのナノ構造と相互作用します。ナノ構造は光信号を受信し、その位相を変化させて、導波路に再放射します。

光は導波路内に閉じ込められた状態でメタサーフェスと相互作用するため、メタサーフェスからの長い相互作用距離と位相制御の両方を利用できます。

研究チームは、誘導波の偏光とモードを制御および変換するとともに、波長の周波数を100％増加させ、赤外線の色を赤に変更し、広い帯域幅範囲でより高い効率を実現できることを示しました。

この統合されたメタサーフェスは、他の運動量を一致させる方法とどのように異なるのか気になりますか？ 答えは、逆のプロセスを防ぎながら、あるカラーモジュールから別のカラーモジュールに光エネルギーを付着させる一方向の光位相を提供しています。これは、広帯域非線形変換を実現するために不可欠です。

より具体的には、研究チームは勾配メタサーフェスによって提供される一方向の有効波数ベクトルが、ポンプから第二次高調波信号への一方向の光パワーの伝送を可能にすることを示しました。これは、運動量が一致する非線形生成の偏心スキームを表しており、非線形生成効率は、機器の形状やポンプ周波数の変動に影響されません。

研究者らは、勾配メタサーフェスでパターン化されたニオブ酸リチウム導波路内の多くのコヒーレンス長にわたって第二次高調波信号が単調に上昇する、強く効率的な第二高調波発生を実証しました。もう1つ、効率的な第二次高調波発生が広い波長（1580〜1650ナノメートル）で観察されます。

欠点と今後の課題

現在の技術の制限の1つは、生成された高次導波路モードから効率的な光を収集することの難しさです。ただし、この問題は、単一のアンテナアレイを利用して第二次高調波光を1つの特定のモードに変換し、隣接する導波路で残りのポンプ光を抽出して手順を繰り返すことで解決できます。

研究チームは、光変調のような他の有用な機能を実現するための同様のデバイスを実証することを計画しています。