Journal Club 2022年度 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

年度別（4月－12月）

2022年度

発表内容:

A photonic analog of twisted bilayer graphene that has ultra-flat photonic bands and exhibits extreme slow-light behavior.

発表内容:

2020年にターンキーソリトンが実現されて以来，ソリトンコムの実用化はより一層現実味が高まった．将来のスケーラビリティの確保には，CMOS互換材料を用いた共振器が欠かせない．その中でも，ソリトンコムシリコンカーバイド(SiC)は長らく半導体の材料として広く用いられてきた，CMOS互換の材料である．SiCは，シリコンナイトライドと比べた時，比較的大きな屈折率(n=2.6)と非線形屈折率(n₂=8.6x10^-8 m²W^-2)を持ち，より低パワーでの非線形光学効果が期待できる．しかし，ソリトンコムへの応用に関しては，熱光学係数が大きく，室温での実現例は今までに無かった．そこで，今回，補助レーザ法を用いた室温でのソリトンコムの発生を達成したため，報告する．

発表内容:

光パラメトリック発振は、ポンプ周波数から大きく離れた周波数のコヒーレントレーザー光を発生させることができるが、実用化のためにはポンプから信号への変換効率が、これまで実証されてきたものよりはるかに高い必要がある。この課題に取り組むため、カー非線形微小光共振器におけるパラメトリック発振を理論的および数値的に研究し、非線形過程の相互作用から生じる複雑な解空間を明らかにする。まず、3モード近似を用いて、ポンプパワーと周波数ミスマッチの効率最大化の関係を導出する。しかし、集積型マイクロリング共振器のような現実的なデバイスは、3つ以上のモードをサポートしているため、モード全体を含むより正確なモデルが、不要な競合非線形過程から生じる潜在的な効率性を決定するために必要である。この目的のために、非線形結合共振器モードの全スペクトルを考慮したLugiato-Lefever方程式を計算した。多モード共振器におけるパラメトリック発振に関連する2つの非線形現象、すなわちモード競合とクロスフェーズモジュレーションによる変調不安定性を観察し、その特性を明らかにする。最後に、マイクロ共振器の損失率を調整することによって、変換効率を約25%まで高める方法を示す。この解析は、高い変換効率と出力パワーを目指すマイクロレゾネータの設計の指針となるものである。

Nature Electronics 5, 184–190 (2022).
A. M. J. Zwerver, T. Krähenmann, T. F. Watson, L. Lampert, H. C. George, R. Pillarisetty, S. A. Bojarski,
B. P. Amin, S. V. Amitonov, J. M. Boter, R. Caudillo, D. Correas-Serrano, J. P. Dehollain, G. Droulers,
E. M. Henry, R. Kotlyar, M. Lodari, F. Lüthi, D. J. Michalak, B. K. Mueller, S. Neyens, J. Roberts,
N. Samkharadze, G. Zheng, O. K. Zietz, G. Scappucci, M. Veldhorst, L. M. K. Vandersypen & J. S. Clarke

発表内容:

誤り訂正を用いたフルスケールの量子コンピュータの実現には数百万量子ビットが必要であり，工業的な半導体製造技術を用いた半導体量子ビットを用いた量子コンピュータはこの部分で高い可能性を秘めている．
しかし，現在報告されている半導体量子ビットの製造方法は電子線リソグラフィによって製造されており，歩留まりが良いとは言えない．
本研究では，現在の工業製品製造に用いられるフォトリソグラフィ技術を用いて，完全に工業的な手法で製造した300mmウェハ上のチップに半導体量子ビットを確認した．
これにより，飛躍的に歩留まりを改善することに成功した．

発表内容:

Chaotic dynamics has been reported in many physical systems and has affected almost every field of science. Chaos involves hypersensitivity to the initial conditions of a system and introduces unpredictability into its output. Thus, it is often unwanted. Interestingly, the very same features make chaos a powerful tool to suppress decoherence, achieve secure communication and replace background noise in stochastic resonance—a counterintuitive concept that a system's ability to transfer information can be coherently amplified by adding noise. Here, we report the first demonstration of chaos-induced stochastic resonance in an optomechanical system, as well as the optomechanically mediated chaos transfer between two optical fields such that they follow the same route to chaos. These results will contribute to the understanding of nonlinear phenomena and chaos in optomechanical systems, and may find applications in the chaotic transfer of information and for improving the detection of otherwise undetectable signals in optomechanical systems.

発表内容:

The sixth generation (6 G) communication standard is expected to include support for very-high data rates (over 100 Gbit/s) and device electronics will require processors with on-chip communications able to support such high bandwidths. Although the terahertz band possesses ample bandwidth, conventional THz waveguides suffer from high bending losses and are sensitive to process defects. The recent revelation of the topological valley photonic crystal (VPC), which exhibits near zero-loss bends, zero back-scattering and zero junction-area, holds much promise for future high speed inter-device communications. In this article, low dispersion in the photonic bandgap region as the number of bends increase is demonstrated through simulation and experiment of the transmission and group delay characteristics. A 108-Gbit/s bit rate using multi-level modulation for a 10 mm straight VPC waveguide and a 62.5-Gbit/s bit-rate for a ten sharp bended structure is demonstrated through comprehensive communications experiments.

発表内容:

可視光領域における光集積回路は、ARやVRディスプレイ、量子計算、センシング、光遺伝学など、多くの応用が期待できる。光集積回路の中でも、光位相変調器は、それらを実現する上で欠かせない要素である。しかし、既存のCMOS技術を用いて実現できる可視光領域での集積可能な位相変調器は、大きさが数百um、半波長電力が数十mWと、実用には程遠いのが現状である。そこで、本研究では、シリコンナイトライド微小光共振器を用いて、530nm帯と488nm帯での、超小型・超低消費電力な光位相変調器を実現したため紹介する。

発表内容:

光ファイバー実験において,高次のシード変調不安定性を実験的に調査した．損失を補償した再循環ループ構成により，複雑でありながら決定論的なダイナミクスを示す初期変調連続場の時空間発展をシングルショットで観察することができる．変調周期を調整することにより，完全なコヒーレントダイナミクスと純粋なノイズ駆動のダイナミクスとの間の連続的な遷移が観察され，さらに統計的手法によりその特性を明らかにした．

発表内容:

光学において導波路間の結合は一般的な現象であり，光の経路制御や集積化において重要な役割を果たしている．しかり，結合特性は波長や導波路構造に非常に敏感であり広帯域で製造誤差に強い導波路結合を達成するのは難しい．本研究では人口ゲージ場(artificial gauge field : AGF)を用いて結合分散を設計可能にし，広帯域かつ耐製造誤差のある導波路を開発した．

発表内容:

現在の集積型レーザーでは素晴らしい成果があるにも関わらず、実用化にはいくつかの問題が残っています。そのひとつが周波数チューニングです。従来のIII-V族とシリコンの電気光学変調ではMHzレベルでの周波数チューニングが可能ですが，熱光学効果とキャリア密度と光学モードのずれにより性能が制限されていた。本研究ではII-V族/ニオブ酸リチウムのハイブリッド集積構造を用いて、2エクサヘルツ/秒（2.0×10¹⁸ Hz/秒）という過去最高の周波数変調速度と50 MHzの高速スイッチングをもつ集積型レーザーです．これらに加えてポッケルス効果により赤外線と可視光の同時発信が可能になり，世界初のマルチカラーレーザーの集積化を実現しました．

発表内容:

フォトニック集積技術の進歩に伴い，チップスケールの高周波(RF)フィルタの開発は非常に重要となっている．本研究では，ソリトンの滑らかなスペクトル包絡線を利用したパルス成形を必要としないソリトンマイクロコムベースの高周波フォトニックフィルタを実証する．多波長光源と分散伝搬を組み合わせたシステムはタップ付き遅延線(TDL)フィルタとして機能し，FIRフィルタの構造的な複雑さが大幅に緩和される．光源に完全ソリトン結晶(PSC)を用いることによりRF透過帯域を分割することが可能であり，また干渉する2つのソリトンの相対方位角を適切に制御することによりフィルタの再構成を実現した．

発表内容:

シリカベースの光ファイバーは非線形光学の主力製品であり、ソリトンや自己位相変調などのさまざまな非線形現象にすぐにアクセスできます。ただし、基本的な制限が 1 つあります。シリカは非晶質であるため、表面からの影響が無視できる場合を除いて、二次の非線形性を示しません。ここでは、ファイバーのコア上に直接成長させた高い非線形をもつMoS2の単層を使用して、機能化された光ファイバーでの第二高調波の発生を示します。MoS2で機能化されたファイバーは、44 pmV^–1の二次感受率 ( χ (2) ) 値と0.2 × 10^–3 m^–2Ｗ^−１の第二高調波発生変換効率を示します。このアプローチは拡張性があり、他の遷移金属ジカルコゲニドや幅広い導波路システムに一般化できます。私たちの結果は、効率的なファイバー内での第二高調波発生源への新しいアプローチを示しており、χ(2)ベースの非線形光ファイバー、オプトエレクトロニクス、フォトニクスプラットフォーム、統合光アーキテクチャー、およびアクティブファイバーネットワークのプラットフォームを確立する可能性があります。

発表内容:

光集積回路にてエルビウムイオンを使った光増幅の研究は行われてきましたが，出力が十分とは言えず実用的ではありませんでした．本研究ではシリコンナイトライド導波路を用いたエルビウム増幅器にて，145 mWの出力と30dB以上の小信号利得を達成しました．これはソリトンコムの出力を100倍に高め，低ノイズの光マイクロ波発生や波長分割多重通信に応用可能な実用的な数値です．

発表内容:

非線形光学効果は全光計算やフォトニックニューラルネットワーク，基板上での超高速光源など様々な応用が期待される．しかし，ほとんどのフォトニック材料では非線形光学効果は大きくなく，大きい動作エネルギーや高Q値な共振器などを用いる必要があった．本研究では，強い2次の非線形光学効果による共振器無しでの全光光スイッチを開発し高速かつ低消費電力を達成した．また，分散設計によって空間的，時間的にパルスの形状を保つことに成功している．

発表内容:

発表内容:熱光学係数が正反対の2つの材料を合体させたハイブリッドSi3N4-TiO2マイクロリング共振器を想定し、熱屈折効果をキャンセルする非熱的な構造について理論的に研究した。数値計算の結果、適切なパラメータのもとで熱屈折効果を低減できることが分かり、その条件下ではソリトン状態に容易にアクセスできることを明らかにした。また、微小光共振器と周辺環境との熱交換によって生じる熱屈折ノイズも1桁抑制され、分光、光クロック、マイクロ波発生など、ソリトンコムの潜在的な応用にとって極めて重要であることが示された。

発表内容:

近年，カーソリトンやコヒーレント周波数コムの生成に関する研究が盛んに行われているが，カー(3次)非線形性は本質的に弱く，パラメトリック発振のしきい値のため高Q値の共振器が必要となる．そこで，本研究では2次非線形性に基づく縮退光パラメトリック発振器(DOPO)においてウォークオフにより誘発される時間ソリトンを実証する．ポンプと信号の間の顕著な時間的ウォークオフ存在下で非定常光パラメトリック増幅による散逸的な2次ソリトン形成を実証し，強い2次非線形性によりピコジュールレベルのポンプでの大幅なパルス圧縮が可能であることを示す．これらの結果は波長変換，波長多様性，共振器フィネス要件などの実用的な利点を持つ純粋な2次非線形性を用いたソリトンの実現を協調するものである．

発表内容:

フォトニックデバイスおよびシステムのパフォーマンスには、材料構造の制御が不可欠です。基板からのフォトニック材料の光学的分離は、それらの性能を大幅に向上させることができますが、複雑な製造プロセスと限られた用途に悩まされています。ここでは、ポリマー二重層（EOB）へのワンステップ電子ビーム直接書き込みに基づいて自立型フォトニック構造を製造するために、差動ポリマー鎖切断戦略が提案されています。電子ビームに対するポリマーの分子量に依存する感度により、ポリマーの2つの層の異なるパターン化が可能になり、吊り下げられた微小光共振器が直接形成されます。EOB技術は、微小光共振器の高い材料適合性と設計の柔軟性を特徴としています。これにより、吊り下げられた微小光共振器の適用範囲が大幅に拡大します。この結果は高性能フォトニック材料を構築するための多目的な戦略を提供するだけでなく、光学微細構造の革新的なアプリケーションのための有望なプラットフォームを提供します。

発表内容:

Active metasurfaces promise reconfigurable optics with drastically improved compactness, ruggedness, manufacturability and functionality compared to their traditional bulk counterparts. Optical phase-change materials (PCMs) offer an appealing material solution for active metasurface devices with their large index contrast and non-volatile switching characteristics. Here we report a large-scale, electrically reconfigurable non-volatile metasurface platform based on optical PCMs. The optical PCM alloy used in the devices, Ge2Sb2Se4Te (GSST), uniquely combines giant non-volatile index modulation capability, broadband low optical loss and a large reversible switching volume, enabling notably enhanced light–matter interactions within the active optical PCM medium. Capitalizing on these favourable attributes, we demonstrated quasi-continuously tuneable active metasurfaces with record half-octave spectral tuning range and large optical contrast of over 400%. We further prototyped a polarization-insensitive phase-gradient metasurface to realize dynamic optical beam steering.

発表内容:

光マイクロ・ナノファイバー（MNF）の表面変化に関連する研究はまだ初期段階にあり、報告された独自のメカニズムは長年の謎のままであった。本論文では、MNFにおけるファイバー加熱、機械的テーパー加工、高出力パルスレーザー導波過程の複合的相互作用を考慮することにより、MNFの表面変化を説明できる一般的な熱-機械-光活性化機構を確立した。ファイバー加熱と機械的テーパー加工によって結合エネルギーが大きく増大することを前提に、シリコン-酸素結合をダングリング結合に切断するのに必要なエネルギーが、固有バンドギャップの約9eVから約4.0eVと大幅に減少し、高出力パルスレーザーが多光子吸収によってMNFに明らかな表面変化を誘発することが明らかになった。最後に、界面活性剤を用いてMNFの表面を修復し、センシングやオプトエレクトロニクスから非線形光学に至るまで、有望なアプリケーションに利用できることを実証した。本成果は、将来の性能劣化防止と実用的なMNFデバイス応用への道を開くものである。

発表内容:

パラメトリック増幅器はこれまで物理学において重要な位置を占めてきた．しかし，現状のパラメトリック増幅器は高ゲイン，低ノイズを両立しているものはなく，これらを両立するような新たなデバイスが求められている．本研究では半導体による超格子を用いたパラメトリック増幅器を世界で初めて作成し実証を行った．

発表内容:

フォトニック結晶（PhC）とウィスパーギャラリーモード（WGM）の概念を融合した歯車のようなPhCリング共振器を紹介します．この「マイクロギア」フォトニック結晶リング（MPhCR）は，マイクロリング共振器の内側境界に周期的変調を加えることで，PhC共振器のように大きなバンドギャップを持つ上に，WGM共振器のような円対称な外側境界と高いQ値を併せ持っています．誘電体バンド端付近ではこれまでのスローライト・デバイスの記録の約50倍のQ値を持ちつつ，従来のマイクロリングモードに比べて群速度が10倍遅くなったモードが観測された．さらに，このスローライト設計を出発点としてPhCの欠陥モードにWGMを局在させることで，従来のWGMに比べてモード体積を10倍以上削減しながら，最大で（5.6 ± 0.1）× 10⁵という高いQ値を維持できることを示しました．MPhCRは群速度や局在性などの基本的なフォトニック結晶の特性を強く制御することにより，センシングや計測工学，非線形光学，Cavity QEDなど幅広いフォトニクス応用のための刺激的なプラットフォームを提供するものです．

発表内容:

異常分散領域で発生するブライトソリトンとは対照的に，正常分散領域の微小光共振器において発生するダークソリトンの観測が報告されている．ダークソリトンの発生には，自由な分散設計や熱不安定性による影響が小さいなどの利点がある．本論文では，微小光共振器におけるダークブライトソリトン対の結合状態について報告する．分散が正反対で群速度が等しい2つのモードを励起し，ブライトソリトンに起因するKerr誘導相互位相変調(XPM)により受動的にダークソリトンを発生させる．微小光共振器によるダークブライトソリトン対の生成は過去に例がなく，周波数コムと似たスペクトルを持ちながら出力が一定であるという興味深い特性を示す．これらの結果は，電気通信システムや超高速光学などの応用に役立つと考えられる．

発表内容:

マルチスペクトル光検出器は、可視（VIS）、近赤外線（NIR）など、複数の波長範囲の光子を検出できる新しいデバイスです。これらの光検出器で取得した画像データは、人間の視覚情報を超える追加情報を持ち、熱画像と暗視を含む効果的な物体の識別とナビゲーションに使用することができます。ただし、これらの機能は、複数のヘテロ接合と選択的吸収体の結合から生じる構造の複雑さによって妨げられます。本研究では、Ge/MoS2ファンデルワールスヘテロ接合光検出器による、光起電および光伝導に近いモードでのVISおよびIR選択的検出機能を実現します。単一ピクセルを使用した単純化された単一極性バイアス操作は、構造の複雑さを大幅に軽減し、マルチスペクトルの選択的検出のための周辺回路を最小限に抑えることができます。本研究のマルチスペクトル光検出器は、自動運転、監視、コンピュータービジョン、および生物医学イメージングへの応用可能なVIS/NIR視覚の統合のための潜在的な道筋を示します。

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田邉フォトニック構造研究室にて開催する公開論文輪講です．大学院生以上の学生が，光科学，材料，バイオサイエンス等，光とその周辺技術に関連する論文を調査して，わかり易く解説します．

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