Journal Club 2020年度 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

年度別（4月－12月）

2020年度

発表内容:

WGM共振器はキラル対称性をもっており，CW,CCW方向の光出力の制御は容易ではない．本論文では，ポンプ光の強度を変化させることによる対称性の破れを利用した，マイクロレーザ光源の開発を行った．ここでは実験的にCW方向の選択比が160：1に近い値を達成しており，このロバストで再構成可能な系は今後新たなプラットフォームとして利用できる可能性がある．

発表内容:

マイクロ波または無線周波数ドメインの周波数によって等間隔に配置された光スペクトルによって，光周波数コムは，マイクロ波基準から光周波数を合成するだけでなく、光周波数分割を介して超低ノイズマイクロ波を生成するためにも使用されてきた．本研究では，2つの周波数コム，つまりソリトンマイクロコムと半導体利得スイッチコムを組み合わせて，新しい周波数分割技術に基づく低ノイズマイクロ波発生を実証した．正弦波電流によって駆動され，微小共振器ソリトンにインジェクションロックされる半導体レーザーを使用して，散逸ソリトンのスペクトル純度をマイクロコムの繰り返しの整数倍分周波数にロックする．利得スイッチコムは，ソリトンマイクロコムのライン間隔を分割する高密度の光スペクトルを出力する．集積化への可能性により，2つのチップスケールデバイスの統合は，周波数コム技術の幅広い応用分野への道を開く．

発表内容:

最先端のマイクロコムベースのRFフィルタはパルスシェーパを必要とし，システムのコスト，フットプリント，複雑さを増大させている．本研究では，ソリトンコムを利用し，追加のパルスシェーパを必要としないコムベースのRFフィルタを実証する．さらに，多くのマイクロコム状態(シングルソリトンコム，2ソリトンコム，パーフェクトソリトンクリスタル)を応用し，RFフィルタの再構成を容易に行うことができる．

発表内容:

可飽和非線形性を持つ系は，線形系にはない多様な現象をもたらす。本研究では、Erイオンをシリカ微小共振器に添加した場合の可飽和非線形性(可飽和吸収と利得)を理論と実験で実証した．その結果，添加濃度が低い場合には，単離されたモデルが実験結果とよく一致し，また高濃度添加の場合には基本的な記述として可飽和非線形性の解析に利用できることを示した．しかし，高濃度添加の場合については，実験データとの整合性を図り，合理的な一致を得るためには，Erイオンのクラスタリング効果も考慮しなければならないことがわかった．そのためイオン濃度を変化させ，可飽和非線形性を実験的に評価した．この実験結果は理論との整合性が高く，光双安定性や非線形パリティ時間対称性など．可飽和非線形性に基づく理論の他の応用先への可能性を示唆するものである．

発表内容:

モードロックレーザにおいて，キャリアエンベロープ位相(CEP)を長時間にわたって制御することは，超高速な光学や精密測定等の応用に向けた必須技術である．本論文ではフィードフォワード方式による短期間の制御，フィードバック方式による長期間の制御を組み合わた制御系を用いることで，Er:YbモードロックレーザのCEPを75時間以上に渡り14mrad以下の精度で安定化することに成功した．また，外部環境の変化に対する制御系の性能評価も行った．

発表内容:

超電導ナノワイア単一光子検出器（SNSPD）は現在，近赤外波長での主要な単一光子計数技術であり，90%を超える効率，3 ps未満のジッター，数 nsのリセット時間，Hz未満の暗計数率が実現されている．しかし，超電導転移端センサー（TES）やマイクロ波力学インダクタンス検出器（MKID）とは異なり，SNSPDは光子数分解能を欠いている．本論文では，テーパ伝送ラインによるインピーダンス整合を用いることで，読み出し電子機器を50Ωで接続しながら，ラッチすることなくSNSPDにkΩの負荷インピーダンスを提供することで，SNSPD出力振幅を光子誘起ホットスポットの数に敏感にし，より実用的な光子数分解能を可能にする．

発表内容:

ニューラルネットワークのような機械学習技術は，ナノ構造の逆問題に対する強力なツールとして注目されている．しかし，ナノ構造とその光学特性の関係が複雑であるため，最適解が一意でないことも多く，その場合はアルゴリズムの収束に問題が発生する可能性がある．その課題に対して本論文では，混合密度ネットワーク（Mixture density network）と呼ばれるアルゴリズムを用いて解析を行い，その有用性を明らかにしている．

発表内容:

光カーコムは、波長分割多重(WDM)通信システムの重要な構成要素となる可能性があり、最近の実験では数十Tbit/sで高速通信を行う可能性が実証されている。しかし、チップスケールのコム源の出力電力は、一般的に従来の出力よりも低いため、アンプを追加する必要があり、光信号対雑音比(OSNR)を損なう。本稿では、コムの電力と光キャリア対ノイズ比(OCNR)がWDMの性能に及ぼす影響について検討している。さらに、特に興味深い例としてソリトンコムを使用して、ライン間電力変動が達成可能なOSNRと伝送容量に及ぼす影響を調査する。これらは、異なるコム発生源の種類を比較し、達成可能な伝送性能に関してそれらを基準とするのに役立つと考えられる。

発表内容:

微小光共振器では非線形光パラメトリック発振が，その低モード体積と高いQ値という特徴から可能となっている．こういった研究において重要となるのは相対的な共振周波数を制御するということである．シリコンナイトライド共振器での従来の方法はリング共振器の断面積を変化させ，グローバルな共振モードを調整してきた．この方法では競合する非線形プロセスを導入したい場合には適さないことがある．この問題を解決する方法として複数選択モード分割(MSMS)を行い，ターゲットを絞った共振周波数を調整する方法を示す．

発表内容:

可視光領域における波長可変マイクロレーザは，照明技術やディスプレイ，センシングなどにおいて重要な役割を果たす．しかしながら，ほとんどの波長可変マイクロレーザはマルチモードで動作することが知られている．本研究では，WGM共振器に可視光領域に利得を持つ物質を添加することでRGB発光を得た．さらに，それらの共振器を結合させることによって特定の波長のみを取り出すことで，波長可変シングルモードレーザを開発した．

発表内容:

散逸カーソリトンは、広帯域コヒーレントで低ノイズの周波数コムと安定した時間パルス列を提供し、分光法、通信、および計測学で大きな潜在的用途を示す。ブリージングソリトンは、パルス幅とピーク強度が周期的な振動を示す特定の種類の散逸性カーソリトンである。ここでは、シリコンナイトライド（Si3N4）マイクロリングのブリージング散逸カーソリトンを調査したが、シミュレーションと実験の両方で、ブリージング周期は約メガヘルツ（MHz）オーダーの不確実性を示した。この不安定性は、将来応用するにあたって大きな障害となる。変調信号をポンプレーザーに適用することにより、ブリージング周波数を変調周波数にインジェクションロックし、周波数ノイズを大幅に抑制して数十MHz以上に調整することが可能である。我々の成果は、微小共振器のソリトンダイナミクス制御への2次的な入口を提供し、ブリージングソリトンの実用的な応用に向けた新しい道を開く。

発表内容:

非線形光学効果の内，誘導ブリルアン散乱は固体材料において最も高い利得を示し，導波路における先進的なフォトニクス機能を実証してきた．一方，気体の大きな圧縮性を利用することで，更に誘導ブリルアン散乱の効率が向上する可能性があった．本論文では，気体を高圧に充填した中空コアファイバを使用し，固体シリカファイバで観測されていた値と比べて6倍以上ものブリルアン増幅を達成した．この手法はどの波長帯の光に対しても適用ができ，中空コア導波路における様々な光の増幅が可能であることを示唆している．加えて，この機構を転用した低閾値のブリルアンファイバレーザ，および高性能な分散型温度センサを実装し，中空コアファイバの新たな応用可能性を示した．

発表内容:

近年、マイクロコムは1THzまでの高繰り返しが可能となり、波長多重化、コヒーレントサンプリング、自己参照など多くの分野で利点を持っている。しかし、このような繰り返し周波数では、フォトダイオードや電子機器の帯域幅が限られているため、検出が困難である。本論文では、この問題を解決するために、デュアルコムバーニア周波数分割法(“Dual-comb Vernier frequency division method”)を報告する。これはフリーランニング216GHzのバーニアソリトンを利用し、メインソリトンの繰り返し周波数を197GHzから995MHzまでサンプリングして分割する。この実証は、マイクロコムの繰り返し周波数検出のための装置要件を緩和し、光時計、マイクロ波フォトニクスなど様々な分野へ応用可能である。

発表内容:

マイクロコムは様々なアプリケーションに利用することが期待されているものの，エネルギー効率の低さと制御の困難さが実世界への転用を妨げている．ここでは、ソリトンマイクロコムにレーザ利得媒質(エルビウムイオン)を導入することで、俊敏なオンオフスイッチと調整可能なデュアルコムであるカイラルソリトンを実験的に実現した。エルビウム利得を調整することで、マルチソリトン状態を生成することができ、ソリトン可能領域を拡張することができる．

発表内容:

ウィスパリングギャラリーモード(WGM)共振器における非線形過程の連続的なファインチューニング(波長の微調整)は，未だに揺籃期のままである．そこで，リチウムナイオベート結晶によって構成されたWGM共振器を内部に埋め込んだピエゾ素子を拡張することでファインチューニングを実現した．この手法の利点として，分散が小さいことに加えて，熱によるファインチューニングよりもその速度が速い点が挙げられる．本論文では，この手法を用いて，1µm付近のポンプ光に対して二次高調波発生を28GHzの範囲で，パラメトリック光発振は4.5GHzの範囲で，モードホッピングフリーな連続的なチューニングを実現した．

発表内容:

PT対称性が非空間パラメータである波長空間に実装できることを提案し，実験的に実証した．高品質のマイクロ波信号を生成するために，波長空間でPT対称OEO（光マイクロ波発振器）を設計した．空間的な重複を排除することでシステムの複雑さを軽減し，空間的にPT対称なシステムと比較して安定性を大幅に改善できることを示した．

発表内容:

円偏光状態の真空紫外コヒーレント光を用いることによって，電子のスピン状態や生体の分子構造などの一瞬の現象を観測する事が可能であり，これまでにない新たな現象や特性を発見できることが期待されている．しかし真空紫外線領域の光の制御は難しく，コヒーレント円偏光のパルス光の発生は困難であった．本論文は，四回回転対称なフォトニック結晶に可視光領域の円偏光フェムトレーザー光を当てることで，簡便に真空紫外線領域の円偏光に変換する手法を開発した，という内容である．

発表内容:

0.7 dBの低位相シフト挿入損失のシリコン-有機ハイブリッドマッハツェンダー変調器について、変調方式OOKおよびPAM4での100 GBdのデータ伝送実験を行い、ラインレートは最大200 Gbit/sとなった. ビットエラーレートは7％の硬判定前方誤り訂正（HD-FEC）のしきい値を下回り、187 Gbit/sの正味データレートとなる. これは、1 mm以下のシリコンフォトニックマッハツェンダー変調器でこれまでに達成された最高のPAM4のデータレートである.

発表内容:

レーザ周波数の高速作動は位相同期や周波数安定化，光キャリア内の安定転送にとって前提条件となる．ソリトンマイクロコムはチップスケールの周波数コム光源としてシステムレベルのデモンストレーションが行われてきたが，これまでオンチップではMHzの作動帯域の位相同期を達成できていなかった．本研究では高速のソリトンマイクロコム作動をモノリシックに統合されたAlNアクチュエータを用いて行った．

発表内容:

電磁波誘起透明化(EIT)は，不透明な媒質中の光吸収を阻害する量子干渉効果として，スローライトの生成や光ストレージ，周波数変換や光量子メモリなどの広範囲な応用先が見出されている．本研究では共振器中の光の伝搬方向を制御することによって，温度や光パワーの外部制御のいらない，新たな系でのEITを達成した．

発表内容:

強力なポッケルスとカーの非線形光学効果と非常に大きなバンドギャップの両方を備えた単結晶のアアルミニウムナイトライド（AlN）は，非線形光学分野において魅力的なプラットフォームである．本論文では，TE00モードで高Q値（2.1×10^6）の十分エッチングされた，サファイア上に集積されたAlN微小共振器が、フォトリソグラフィによって初めて作製された．1100から2150nmの範囲のほぼオクターブに及ぶカーコムは、406mWのパワーでTM00モードより励起される．高い閉じ込め性能により，高次モードであるTE10モードもまた，316mWのパワーで1270〜1850 nmのスパンのカーコムを励起する．さらに，カーコム生成中に，高調波発生による可視光への周波数変換も観察された．本研究により，AlNに基づく大規模で低コストの統合非線形プラットフォームの構築が期待できる．

発表内容:

近年、研究が進みCMOS対応のフォトニック集積回路を用いて周波数コムを生成することが可能となってきた。しかし、現在開発されているソリトンマイクロコムは、従来の電子機器が検出できるものを大幅に超えた繰り返し率で動作するため、マイクロ波フォトニクスでの使用が難しかった。本論文では、2つの広く使用されているマイクロ波帯、Xバンド(~10GHz)、Kバンド(~20GHz)で動作するソリトンマイクロコムを実証する。低ノイズファイバレーザで生成されるコムは、現代の電子マイクロ波発振器に匹敵する位相雑音レベルのマイクロ波信号を生成する。さらに、このような低いソリトン繰り返し率は、将来の高密度波長分割多重チャネルの生成にとって重要なものであり、様々な応用が期待できる。

発表内容:

集積されたWGM共振器をベースとしたラマンレーザは，通信からバイオ検出まで多くのアプリケーションを可能にしてきた．これらのデバイスはWGM共振器の持つ高Q値を利用することで，本来低いシリカのラマン利得を補い，誘導ラマン散乱レーザ発振をサブmWのしきい値で可能にした．しかし同じ非線形光学効果であるアンチストークスラマン散乱レーザを実現するには，シリカのラマン利得の低さゆえ，発振効率の低いレーザとなってしまう．そこで本研究では共振器へ金属を添加することで，デバイスの性能を向上させた．その結果SRSのレーザ発振効率は10倍以上になり，SARSにおいてもサブmWのしきい値かつ効率の向上を確認した．

発表内容:

A luminescent solar concentrator (LSC) is a photon managing device that can harvest, direct and concentrate solar light to small areas, enabling subsequent coupling to photovoltaic devices (PVs) for enhanced solar energy conversion. However, the intrinsic photon loss through the so-called escape cone of the LSCs significantly limits their light harvesting and concentrating performance. In this work, we introduce a facile and low-cost approach for the fabrication of a three-dimensional (3D) macroporous photonic crystal (PC) filter as an efficient photon reflector, which can be coated onto quantum dot (QD) based LSC devices. We demonstrate that by controlling the PC reflection band to match the emission profile of the QD emitters, the light trapping efficiency of the PC coated LSC (PC-LSC) can be significantly improved from 73.3% to 95.1% as compared to the conventional PC-free LSC due to the reduced escape cone photon loss. In addition, we have developed a simulation model that considers the PC reflector effect. Both experimental and simulation results show that the enhancement in LSC device performance induced by the PC reflector increases with increasing dimension. In fact, simulation data predicts a maximum of 13.3-fold enhancement in external quantum efficiency (EQE) and concentration factor (C factor) of the PC-LSC under more ideal conditions. Moreover, the simulation result offers insight into the relationship between photon output efficiencies and the geometric design of the PC-LSC. Our study sheds light on future design and fabrication of LSC devices with enhanced photon collection and concentrating efficiencies through novel and wavelength-selective photon reflectors.

発表内容:

散逸性カーソリトン間の相互作用や多重化に関する研究が近年盛んに行われている．ソリトン間の相互作用を研究するのに有効なのが，異なるソリトン同士が束縛された状態であるソリトン分子(soliton molecule)である．微小光共振器内部でのソリトン分子の形成は，分散波に起因して比較的広い間隔(少なくともソリトンの幅よりは広い)でソリトン同士が束縛される，等核ソリトン分子(homonuclear soliton molecule)のみが観測されていた．例えばマルチソリトンやソリトン結晶がこれに該当する．
本論文では，群速度の異なるソリトン間における相互位相変調に起因して従来より狭い間隔(ソリトンの幅程度もしくはそれ以下)でソリトン同士が束縛される，異核ソリトン分子(heteronuclear soliton molecule)の形成を確認した．異核ソリトン分子のスペクトルは通常のソリトンのスペクトルと異なる構造を示し，様々な分野への応用が期待されている．

発表内容:

バレーフォトニック結晶（VPhC）は，フォトニック集積回路（PIC）にトポロジーで保護された光導波路を実装するための魅力的なプラットフォームである．トポロジー導波路におけるスローライトモードの実現は，PICのさらなる小型化と機能化につながる可能性がある．本論文では，半導体スラブベースのVPhCでトポロジカルスローライト導波路を実現するための方法を報告する．

発表内容:

フォトニック結晶を用いた全光スイッチに関する研究は多く行われてきた．フォトニック結晶には，シリコンやⅢ-Ⅴ族半導体(InGaAsP)が多く用いられるが，本研究では両方の長所を生かすためにSiフォトニック結晶とInAsP/InPナノワイヤを用いたスイッチングを行い，その結果，スイッチングの性能を向上させることに成功した．

発表内容:

単一のダークパルスカーコムが1.84 Pbit / sのデータを伝送するのに十分な高雑音比を生成できることを示す。これは、37コアファイバー上で、32 Gbaud、DP-QAMで変調された223 WDMによって達成された。

発表内容:

近年，微小光共振器における周波数マイクロコムは異なる物理現象を介して，レーザ周波数コムに近づく精度を達成している．しかし，これまでマイクロコムのダイナミカルな現象の起源や高出力安定性をリアルタイムで調査することは完全には達成できていない．本研究では，マイクロコムがカオティックな状態からモードロックするまでの遷移ダイナミクスを解明する．さらに，分散制御を行った共振器を，高速の共振器ダイナミクスを理解し，高出力マイクロコムを達成するための新たなプラットフォームとして提案する．

発表内容:

可飽和吸収体は高速パルスを生成するために使われており，これまでは半導体可飽和吸収ミラー(SESAM)やグラフェン，カーボンナノチューブなどが多く用いられてきたが，近年新たな可飽和吸収体の開発が行われてきている．本研究では四酸化三鉄を可飽和吸収体として用いたモード同期パルスをはじめて実証し，その特性について測定を行った．

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