超高周波ソリトンマイクロコムの生成と自己参照のためのAlN薄膜のナノフォトニクスに関する研究
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1. 高周波ソリトンマイクロコム用AlN膜研究の背景
固体レーザーまたはファイバーモードロックレーザーから開発された周波数コムは、フォトニックチップをベースにしたマイクロコム光源に進化し、小型化とコスト削減の大きな可能性を秘めています。位相コヒーレントなマイクロコムを実現するために、研究者はソリトンモードロックに多大な努力を払い、豊富なソリトンの物理メカニズムを明らかにしました。オクターブ ソリトン コムは、f-2f 自己基準を可能にし、チップ レベルの光クロックおよび周波数シンセサイザーの開発の前提条件であるキャリア エンベロープ バイアス周波数の位相ロックを実現できます。これまで、窒化ケイ素ナノフォトニクスは、テラヘルツ繰り返し周波数ソリトンマイクロコムの用途のために開発されてきた。ただし、このような大きな繰り返し率は直接光電検出には適しておらず、最大テラヘルツのバイアス周波数にアクセスする際に課題が生じます。一方、窒化シリコン薄膜には固有の二次非線形性が欠けており、通常、バイアス周波数を得るために外部周波数逓倍器とオフチップ光回路が必要です。これらのオフチップ光コンポーネントは、マイクロ コムのスケーリングの利点を損ない、ポータブル アプリケーション向けの周波数自動ロック マイクロ コムを著しく妨げます。
そこで研究チームは、窒化アルミニウムナノフォトニクスに基づいた周波数倍増マイクロコム発生器と第二高調波逓倍器を開発し、共振器マイクロコムに基づくオンチップ集積f-2f自己参照技術を初めて検証した。この方法は、成熟したエピタキシャル成長技術を利用して均一な厚さの AlN 薄膜を取得し、群速度分散によって制御される分散波によって櫛状のスペクトル拡大を実現します。これは、マルチ周波数 (433、360、220GHz) オクターブ マイクロ コムの使用を実証しており、研究結果はバッチ間での準備で再現できます。さらに、オンチップの統合位相整合窒化アルミニウム光導波路を利用して、周波数 f から 2f までの第 2 高調波を実現し、バイアス周波数の検出プロセスを示しています。この研究結果は、窒化アルミニウムのナノフォトニックプラットフォームが、近い将来にポータブルな周波数ロックマイクロコムを実現する大きな可能性を秘めていることを示しています。
2.R研究するの進捗状況B永遠に-OクターブSオリトンMイクロコムAlN薄膜ベース
研究チームは、非中心対称光媒質の3次と2次の非線形性を利用し、それぞれ高調波ソリトンマイクロコムと第2高調波倍増の機能を実現した。 f-2f 自己基準を実証するために、補助レーザーを使用して位相整合光導波路をポンピングし、十分な第 2 高調波パワーを確保します。将来的には、マイクロリングアーキテクチャの使用を通じて第二高調波効率を改善することで、補助レーザーの制限をさらに取り除くことができます。 AlN 膜はサファイア基板上に有機金属化学気相成長 (MOCVD) によって製造され、紫外から中赤外までの広帯域の透明性を備えています。同時に、選択された窒化アルミニウム薄膜は均一な厚さを有しており、これはオクターブマイクロコムを達成するための群速度分散制御を達成するための重要な要素である。
図1 (a) ナノフォトニクスプラットフォームによって実現されるオンチップ自己参照の概略図。 (b) サファイア基板上のエピタキシャル AlN 層、結晶セルユニットおよび 2 インチ AlN ウェハの画像。 (c) 分光エリプソメトリーに基づく窒化アルミニウム薄膜の厚さマッピング
次に、高速周波数スキャン方式を利用して、ソリトン マイクロコム モード ロックを実現します。図2（上）は、半径50umの窒化アルミニウム微小共振器のソリトンスペクトルを示しており、繰り返し周波数は433GHz、スペクトルスパンは1.05～2.4umで、光の1オクターブバンドを超えています。一方、ソリトン誘起分散波放射はスペクトルの両端で発生し、予測された積分分散曲線と一致しますが、高周波分散波は位相整合周波数からの顕著な青方偏移を示しますが、これは主にラマンによって引き起こされるソリトンの赤方偏移（ポンプ周波数に対する）に起因します。 AlN 単結晶膜の均一な厚さ制御の恩恵を受けて、さまざまな繰り返し周波数でのオクターブ ソリトン マイクロ コムを予測します。たとえば、分散モデルは、3.3 ～ 3.5 um の最適な幅で、半径 100 um の窒化アルミニウム微小共振器がオクターブ バンド スペクトルの繰り返し周波数を 2 倍に低減できることを示しています。図2（下）は、微小共振器幅3.5μm、繰り返し周波数約220GHzで記録されたソリトンコムスペクトルを示しており、最先端の単列キャリアフォトダイオードを使用して直接検出されることが期待されています。
図 2 (a) 半径 50um の AlN マイクロ共振器の統合分散結果と、繰り返し周波数 433GHz の実験的に記録されたソリトンマイクロコムスペクトル。 (b) 繰り返し周波数を 220GHz に下げた半径 100um の AlN マイクロ共振器のソリトンマイクロコムスペクトル
実験室における補助レーザーの第二高調波（1940～2000nm）は、図2に示すソリトンマイクロコムスペクトルのカバー範囲を超えているため、マイクロコムスペクトルを1um未満に拡大するには、マイクロ共振器のサイズをさらに調整する必要があります。図3（上）に示すように、AlN微小共振器の幅を約2.3μmに維持したまま半径を60μmに増加させることにより、高周波分散波放射の位相整合条件を1μm波長以下で満たすことができます。同時に、微小共振器の幅を制御することにより、分散波の発光スペクトルを調整することができます。分散モデリングの結果に基づいて、対応する窒化アルミニウムマイクロ共振器を準備し、約 360 GHz の繰り返し周波数でオクターブ ソリトン マイクロコム スペクトルを記録しました。図 3 (下) に示すように、微小共振器の幅を調整することで分散波の位置を変更できます。これは積分分散曲線の予測と一致しています。
図3 (a) 異なる幅での半径60umのAlNマイクロ共振器の積分分散曲線。 (b) 共振器幅がそれぞれ 2.3、2.4、および 2.5um、繰り返し周波数が 360 GHz のソリトンマイクロコムスペクトル、および垂直矢印で表される分散波の位置。
次に、AlN 膜の 2 次非線形性に基づいて、研究者らは 1um 未満の分散波に適合するオンチップ統合第 2 高調波発生を実現します。第二高調波とマイクロコムスペクトルの重なりを確保するために、単純な直線導波路構造を採用し、位相整合範囲を拡大しています。ただし、二重共振マイクロキャビティ構造と比較すると変換効率は低くなります。図4（左）は、1970nmの基本波長で準備されたオンチップ集積マイクロコム発生器と第2高調波乗算器を示しています。モード位相整合導波路からはオフチップパワーが50uWを超える第2高調波が得られ、そのスペクトルを図4(右)に示します。
図 4 (a) マイクロコム発生器と第 2 高調波乗算器のオンチップ統合。 (b) 位相整合導波路で収集された第 2 高調波スペクトルは、波長依存の第 2 高調波パワーとして示されており、3 dB の位相整合帯域幅は約 0.8nm です。
最後に、選択したオクターブ ソリトン コムと最適化された第 2 高調波周波数倍増スペクトルを組み合わせることで、研究者は、分光計の分解能によって制限される校正済みスペクトル アナライザーを通じて f-2 f バイアス周波数を約 32 GHz と大まかに推定できます。さらに、図 5 (上) に示す方式を採用して、ダウンコンバート後のバイアス周波数をリアルタイムで電子的に記録します。図 5 (下) は、2 つのダウンコンバータ後の信号を記録しています。局部発振器の周波数と、補助レーザーと隣接する櫛歯の相対周波数位置に基づいて、図に示すように等価バイアス周波数が得られます。ダウンコンバート方式では、局部発振周波数を40 GHzと20 GHzに自由に調整できるため、バイアス周波数の測定範囲が大幅に広がります。一方、局部発振器は外部周波数基準と同期することができ、ダウンコンバートされた f-2 f 信号をフィードバック ループ内のマイクロ櫛歯の周波数ロックに使用できることを示しています。
【図５】（ａ）ナノフォトニクスデバイスに基づくバイアス周波数検出の概略図。 (b) 実験で記録された等価バイアス周波数ビート周波数信号の信号対雑音比は 1 MHz の分解能帯域幅で 10 dB です。
3. オクターブソリトンマイクロコムの結論とAlNに基づく自己参照研究
この研究は非対称 AlN ナノフォトニクス プラットフォームに基づいており、オンチップ統合オクターブ ソリトン マイクロ コムと位相整合した第 2 高調波を紹介し、それによってナノフォトニクス デバイスに基づく f-2f 自己参照を実証します。同時に、オクターブ ソリトン マイクロ コムは優れたサブテラヘルツ繰り返し周波数 (220 ～ 433 GHz) 特性を備えており、単列キャリア フォトダイオードで直接検出できます。
将来的に、マイクロコム発生器がチップ上に高効率マイクロキャビティ第二高調波と統合されれば、低周波分散波付近で選択されたコムラインを直接倍増させることが期待され、それによって現在の研究における補助レーザーの使用の制限が解決される。第 2 高調波位相整合条件を変更することで、オクターブ ソリトン マイクロ コムを可視近傍帯域まで拡張することもでき、周波数ロックされた精密測定用の可視光近傍マイクロ コムが得られます。
この研究は、ポータブルアプリケーションにおけるオクターブバンドマイクロコムテクノロジーの可能性を完全に解き放つことが期待される重要なマイルストーンを表しています。
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