比類のない精度で光波の周波数を測定する周波数コムとして知られるチップベースのデバイスは、計時、太陽系外の惑星の検出、および高速光通信に革命をもたらしました。
さて、国立標準研究所の科学者たちは、 テクノロジー (NIST) とその協力者は、コームを作成する新しい方法を開発しました。これにより、コームのすでに優れた精度が向上し、以前はアクセスできなかった周波数範囲の光を測定できるようになります。範囲が拡張されると、周波数コムで細胞やその他の生体物質をプローブできるようになります。
研究者は彼らの仕事を Nature Photonicsの。このチームには、ベルギーのブリュッセル自由大学のフランソワ・レオ氏とその同僚、フランスのディジョンにあるブルゴーニュ大学のジュリアン・ファトーム氏、およびNISTとメリーランド大学の研究提携である共同量子研究所の科学者が含まれている。
この新しいデバイスは小さなガラスチップ上に製造されており、マイクロコムとしても知られる以前のチップベースの周波数コムとは根本的に異なる方法で動作します。
周波数コムは光の定規として機能します。通常の定規上の等間隔の目盛が物体の長さを測定するのと同じように、マイクロコーム上の等間隔の周波数スパイクは光波の振動、つまり周波数を測定します。
研究者は通常、マイクロコームを構築するために 3 つの要素を使用します。ポンプ レーザーとして知られる単一のレーザーです。最も重要な要素である小さなリング状の共振器。そしてその2つの間で光を運ぶ小型の導波路です。導波路に注入されたレーザー光は共振器に入り、リングの周りを走ります。レーザーの周波数を慎重に調整することで、リング内の光はソリトン、つまり移動しても形状を維持する孤立波パルスになる可能性があります。
ソリトンがリングの周りを 1 往復するたびに、パルスの一部が分離して導波路に入ります。すぐに、スパイクに似た細いパルスの列全体が導波管を満たし、各スパイクは同じ固定間隔 (ソリトンが 1 周するのにかかる時間) だけ時間的に分離されます。スパイクは、等間隔の周波数の単一セットに対応し、周波数コムの目盛り、つまり「歯」を形成します。
マイクロコームを生成するこの方法は効果的ではありますが、ポンプ レーザーの周波数を中心とした周波数範囲のコームしか生成できません。この限界を克服するために、NISTの研究者であるグレゴリー・モイル氏とカルティック・スリニバサン氏は、ニュージーランドのオークランド大学のミロ・エルキンタロ氏率いる国際研究者チームおよびドッド・ウォールズ光量子技術センターと協力して、理論的に予測し、その後実験的に実証した。ソリトンマイクロコムを製造するための新しいプロセス。
この新しい方法では、単一のレーザーを使用する代わりに、それぞれ異なる周波数で光を放射する 2 つのポンプ レーザーを使用します。 2 つの周波数間の複雑な相互作用により、中心周波数が 2 つのレーザー カラーの間に正確に位置するソリトンが生成されます。
この方法により、科学者は、ポンプレーザーによって制限されなくなった周波数範囲で、新しい特性を備えたコームを生成することができます。このデバイスは、注入されたポンプレーザーとは異なる周波数セットにまたがるコームを生成することにより、例えば科学者が生物学的化合物の組成を研究できるようにする可能性がある。
この実用的な利点を超えて、パラメトリック駆動マイクロコムとして知られるこの新しいタイプのマイクロコムの基礎となる物理学が、他の重要な進歩につながる可能性があります。一例として、マイクロコームの個々の歯に関連するノイズが改善される可能性があります。
単一のレーザーによって生成されたコームでは、ポンプ レーザーが中央の歯のみを直接彫刻します。その結果、櫛の中心から離れるほど歯の幅が広くなります。幅の広い歯では、狭い歯ほど正確に周波数を測定できないため、これは望ましくありません。
新しいコーム システムでは、2 つのポンプ レーザーが各歯を成形します。理論によれば、これによりすべて同じ幅の狭い歯のセットが生成され、測定の精度が向上するはずです。研究者らは現在、この理論的予測が自分たちが作製したマイクロコームに当てはまるかどうかをテストしている。
2 レーザー システムには、もう 1 つの潜在的な利点があります。それは、正または負の符号を持つ 2 種類のソリトンを生成します。特定のソリトンが負であるか正であるかは、2 つのレーザー間の相互作用の量子特性から生じるため、純粋にランダムです。
これにより、ソリトンは完全な乱数生成器を形成できる可能性があり、安全な暗号コードを作成したり、通常の非量子コンピューターでは解決できないいくつかの統計問題や量子問題を解決したりする際に重要な役割を果たします。