Journal Club 2024년도 | 다나베 광구조 그룹

Journal Club

연도별(4월-12월)

2024년도

발표 내용:

量子揺らぎは散逸性カー・ソリトンのパルス列にジッターを与え，いくつかのアプリケーションに影響を与える．本論文ではAlGaAsベースの微小共振器を用いてダークパルスを発生させ，その量子デコヒーレンスを計測した．また量子限界コヒーレンスをブライトソリトンと比較した際，ダークパルスの方が優れていることを明確に示した（具体的な数値としてはジッターのスペクトル密度がダークパルスの方が同条件で発生させたブライトソリトンよりも13dB低い．）．本研究は散逸性カー・ソリトンの重要な性能評価を確立するものである．．

발표 내용:

通信帯域で動作するエルビウムイオンドープリチウムニオブ酸（LN）マイクロキャビティレーザーは、最近大きな注目を集めています。しかし、その変換効率とレーザー閾値には、まだ大幅に改善の余地があります。ここでは、紫外線リソグラフィー、アルゴンイオンエッチング、化学機械研磨プロセスを使用して、エルビウム-イッテルビウム共ドープLN薄膜をベースにしたマイクロディスクキャビティを作製しました。エルビウム-イッテルビウム共ドーピングによる利得係数の改善の恩恵を受けて、980 nm帯の光ポンプ下で作製したマイクロディスクで、超低閾値（約1 μW）と高変換効率（1.8 × 10^-3%）のレーザー放射が観測されました。この研究は、LN薄膜レーザーの性能を改善するための効果的な参考資料となります。

발표 내용:

この論文ではWGM微小光共振器において，一方向のポンプを用いて双方向ラマンソリトンコムを，初めて実験的に実証した．ラマン利得の双方向性を考慮した理論モデルを構築し，正常分散領域で駆動するポンプを用い，異常分散領域において発生する，前方・後方伝播ラマンsech²形ソリトンの解析解を見出した．ラマンソリトンは損失とCW波（両方向で等しい）からのラマン増幅，さらに分散とカー効果のバランスによって成り立つのでその安定性についても述べられている．

발표 내용:

本論文は、正常分散を持つ集積Si3N4マイクロ共振器において、レーザー自己注入同期を用いたプラチコンマイクロコム生成を実証しています。これは、従来の分散エンジニアリングを必要とする異常分散ベースのDKSマイクロコム生成とは対照的なアプローチです．論文では、市販のDFBレーザーをSi3N4チップに結合し、レーザー電流を調整するだけで、多様なプラチコン状態を直接生成できることを示しています。自己注入同期により、レーザーは通常は不安定な離調点でロックされ、安定したプラチコン生成が可能になります。プラチコンマイクロコムは、DKSマイクロコムと比較して光スペクトル幅は狭いものの、高いエネルギー変換効率を示し、可視波長域でも利用できる可能性があります。本研究は、自己注入同期を用いることで、プラチコンマイクロコム生成を簡素化し、CMOS互換プラットフォーム上での集積化を促進する道を開くものです．

발표 내용:

安定したTHｚ周波数の高強度な超短パルス列（フェムト秒からピコ秒）の生成は、光と物質の相互作用を研究することや測定，超高速通信のために必要である。固体電気励起レーザでは、短パルスを発生させる主な方法は受動モード同期である。しかし、受動モード同期はテラヘルツ領域ではまだ実現されておらず、過去20年間にわたる長年の目標のひとつとなっている。

발표 내용:

本研究では，狭い線幅と光アイソレーションを兼ね備えた完全オンチップのレーザシステムを実証した．低Qのオンチップレーザーに対して高QのSiN微小リング共振器を用いて自己注入同期（SIL）とアイソレーションを単一のCMOS互換チップ上で組み合わせることにより，高電力でも強力なフィードバックを提供できるデバイスを製造した．このシステムは集積DFBレーザを14dBパッシブにアイソレーションすると同時に，周波数ノイズを25～35dB低減することができ，ターンキーの信頼性で動作する．

Nat. Commun. 15, 7614 (2024).
Markus Ludwig, Furkan Ayhan, Tobias M. Schmidt, Thibault Wildi, Thibault Voumard, Roman Blum, Zhichao Ye, Fuchuan Lei, François Wildi, Francesco Pepe, Mahmoud A. Gaafar, Ewelina Obrzud, Davide Grassani, Olivia Hefti, Sylvain Karlen, Steve Lecomte, François Moreau, Bruno Chazelas, Rico Sottile, Victor Torres Company, Victor Brasch, Luis G. Villanueva, François Bouchy, and Tobias Herr

발표 내용:

宇宙探査における分光測定には正確な周波数の較正が必要であり，光周波数コムはその特徴から周波数のリファレンスとしての利用が期待されている．しかし，一般に短波長側に近づくにつれて材料分散の正常分散性が強まるために，紫外光の帯域においてコムによる周波数較正は困難であった．本研究では，ニオブ酸リチウム(LN)の周期構造の設計によって第四高調波発生を効率よく起こすことで193THz中心のEOコムから800THz前後に広がるUVコムの発生を実証した．さらに，SiN微小共振器を用いたマイクロコムでも同様の高調波発生を実証した．本研究の成果に加え，更なるノイズの低減やスペクトルの整合性の向上を実現することで，通信波長帯のポンプ光から可視光-紫外光間のギャップが無い連続的なスペクトルを得ることができ，紫外線精密分光を実現するための新たな手法の可能性が示される

발표 내용:

この論文では、Kerr マイクロコムを利用したリアルタイムのビデオ画像処理装置を提案しました。提案した画像処理装置は 17 テラビット/秒の処理能力を備えており、約 400,000 のビデオ信号を同時に処理できます。また画像のエッジ検出、エッジ強調、モーションブラーなど 34種類の画像処理機能を同時に実行することが可能です。ビデオ画像処理装置は、RF フォトニックフィルタを基盤として構築されています。本研究では、ソリトン結晶マイクロコムを用いています。このコムは、95 個の波長を生成することで、超並列処理の基盤として機能し、各チャネルは64 ギガボー (ピクセル/秒) の速度で動作します。今後はロボットビジョンや機械学習への応用が期待されています。

발표 내용:

本論文では，誘導ブリルアン散乱(SBS)を利用したマイクロ波フォトニックフィルタを提案した．単一レーザから分けられたポンプ光とプローブ光のサイドバンドを干渉させることでフィルタを実現し，最大100dBの消光比と最大50ns遅延応答を達成した．また，QAM信号を送信し，干渉信号を抑制する効果を確認した．このフィルタは，13dBmの低電力で動作し，複雑なシステム構成が不要であるため，今後のフォトニックフィルタの設計に大きく影響することが期待されている．

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空間系におけるインコヒレントな光ニューラルネットワークアクセラレータを構成した．LED光源と空間光変調器を用いて光による行列積計算を実装し，電気回路と同時に実装することで，活性化関数の実装を含めたニューラルネットの多重化を容易にした． 500kHzの動作速度で原理実証を行い，MNIST分類問題で約92%と高い正答率を示した．また低消費電力性に優れ，商用のGPUに匹敵することができると示した．今後の高速化，大規模化，集積化が見込める．

발표 내용:

本研究では単色のポンプデュアルモードマイクロ共振器を用いた50 GHzデュアルマイクロコム生成の新たなアプローチを実証した．この方法は小型化と統合の実現において大きな可能性を持ち，他の材料プラットフォームにも応用可能である．本研究では数値シミュレーションと実験測定の両方が行われた．TE10モードからの熱効果を活用することで，TE00モードのソリトン存在範囲を1.7 MHzから740 MHzに増加させた．これにより圧電周波数スイープや遅い温度制御を用いたソリトン励起手順が簡素化される．さらに，相互にコヒーレントなソリトン，プライマリーマイクロコムおよび非コヒーレントなソリトン，カオスマイクロコムのデュアルマイクロコムは，スペクトル分析とRFビートノート測定の両方で検証された．．さらに，本研究で提示された方法は，カー・マイクロコム生成におけるマイクロ共振器モードの相互作用メカニズムを研究するための動機付けとして機能する可能性もある．．

발표 내용:

楕円形のマイクロディスクのような変形した微小共振器を用いることは微小共振器レーザにおける自由空間放出の解決策になることはよく知られている．しかしながら共振器を変形させることはQ値を低下させ，結果的に出力を弱くすることに繋がる．この問題を解決するアプローチとして，変形した微小共振器の構造による出力強度への負の影響を補償する高効率のゲイン媒質を使用することがある．本研究では，レーザー利得媒体として優れたレーザー結晶材料Nd:YAGを採用し、軌道長半径15μm、偏心率0.15の楕円マイクロディスクレーザーの作製に成功した。励起光に808nmレーザーを用いることで、スロープ効率1.7％、最大出力58μWという驚異的な自由空間レーザー発振を実現した。本研究は、変形マイクロ共振器レーザーの応用の発展に貢献するものである。

발표 내용:

本研究では，Si上に直接成長させた量子ドットレーザーを用いて，ターンキーで外部共振器同期（ECL）が可能なセルフインジェクションロック（SIL）レーザーのコヒーレンスを実現した．この高性能量子ドット・レーザーは，スケーラブルで低コストのヘテ

ロエピタキシャル集積プラットフォームを提供する．さらに，量子ドットレーザーのカオスフリーな性質は，低Q値の外部共振器を用いたECL下で16Hzのローレンツ線幅を可能にし，従来の量子井戸（QW)レーザーに比べて周波数ノイズをさらに1桁改善す한다.

발표 내용:

元来，微小共振器を用いたソリトンの発生には非線形効果に釣り合う分散が必要とされてきた．本研究ではこれに代わる新たな手法として，スペクトルフィルタリングによるソリトンの発生について，実験，計算の両面から検討した．結果として，この手法によるソリトンは分散を用いて発生させたソリトンよりスペクトル間隔が密であり，さらにエネルギーがパルス持続時間に制限されないという特徴を持つことが明らかになった．この発見は前例のない特徴を持つ散逸性ソリトンや周波数コムを生成するための新たな手法につながることが期待される.

발표 내용:

無線技術の進展に伴い，レーダー高度計と5Gネットワーク間の干渉など，深刻な電波干渉が懸念されている．モバイルトランシーバーは時間とともに異なる比率で信号を混合するため，従来のデジタル信号処理では高い遅延がボトルネックとなっている．本論文では，この課題を解決するために，システム・オン・チップのフォトニックプロセッサを提案する．このプロセッサはアナログ領域での信号を15ピコ秒以下の低遅延で処理し，電子回路の処理速度を大幅に上回る．さらに，プロセッサを補完するコンパクトなFPGAベースの電子ペリフェラルが，リアルタイムで分離重みを更新し，プロセッサが携帯型デバイスとしての実用性を有する．実験的には，レーダー高度計と移動体通信という2つのシナリオにおいて，伝送エラーの抑制と信号対雑音の維持を実証した．

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本論文では、フォトニック集積回路（PIC）を活用したディープラーニングの行列演算の効率化に向けて、シリコンマイクロリング共振器（MRR）を用いた対称型光学クロスバーアレイを提案し、実証しました。従来の光学アクセラレータでは、非対称構造によって挿入損失に不均衡が生じるという課題がありましたが、本研究ではこれを克服するために対称構造の光学アクセラレータを製作し、性能の改善を図りました。また提案した4×4 MRRクロスバーアレイは、アヤメの花分類タスクにおいて93.3%の精度を達成、誤差逆伝搬法を用いたニューラルネットワークの学習後も91.1%の精度を維持しました。さらに、手書き数字認識タスクでは、9×9 MRRクロスバーアレイを用いた畳み込み演算が高い性能を示し、優れた結果を得ることができました。

발표 내용:

위스퍼링 갤러리 모드(WGM)마이크로트로이드 공진기기는 현존하는 가장 민감한 생화학 센서 중 가장 민감한 생화학 센서의1하나다,단일 분자를 검출할 수 있습니다.이러한 장치를 실험실에서 꺼내는 데 있어 주요 장벽은 무엇입니까?빛은 테이퍼형 광섬유를 통해 이러한 장치에 빛을 전달합니다.센트 결합되는 것입니다. 이것은 테이퍼가 깨지기 쉽다,기계적 진동에 시달리고 정확한 위치 결정이 필요합니다.본 연구에서는 자유공간 결합을 통해 토로이드에 빛을 입사시켰다,산란광을 관찰함으로써 광섬유가 필요 없게 되었습니다.디지털 마이크로 미러 장치(DMD)와의 조합,거리 대물렌즈를 결합하여 빛의 주입, 산란광의 관찰,및 이미징에 사용했습니다. 이 접근 방식을 통해,자유공간에서의 간접 결합으로 전자기 유도 투과성(EIT)및 파노 모두소리를 관찰할 수 있었습니다. 이로써,센싱 감도를 향상시킬 수 있습니다. 또한 넓은 유효 결합 면적(개구수=0.14직경~10μm)에 의해,정확한 위치 결정이 필요 없습니다. 본 시스템과FLOWER(주파수 고정형 위스퍼링 에바네센트 공진기)방식을 결합합니다,온도 감지 실험을 통해 감지 성능을 검증했습니다.입력 전력을 조정하면서FLOWER의 공명을 추적하여열 비선형 광학 효과를 조사했습니다. 이 연구는,WGM마이크로토로이드 공진기 구현을 실제 애플리케이션으로 확장하기 위한기반이 될 것이라고 생각합니다.

발표 내용:

이 연구에서는 보손 피크를 고려하여 실리카 마이크로 광공진기 공진기에 대한라만 유도 자기 주파수 이동을 이론적으로 설명할 수 있습니다.연구했다. 그 결과보슨 피크는 솔리톤의 자기 주파수 시프트를 크게 증가시키고특정 펄스 지속시간에서 로렌츠 응답에 의한 시프트보다 특정 펄스 지속시간에서도 큰 기여를 하는 것으로 나타났다.또한 이로 인해 재구성된 라만쇼크 시간은 비교적 긴 펄스 시간으로 재구성되었다.에 있어서도 펄스 폭과 관련이 있음을 보여주었다. 또한솔리톤을 간섭하는 배경의 연속파가 솔리톤의 자기 주파수 이동을 방해하여감소시키는 것으로 나타났다.이 이론적 및 시뮬레이션 결과는실리카 기반 카솔리톤 마이크로컴의 지금까지의 실험들값과 매우 일치하는 것으로 나타났다.

발표 내용:

본 논문에서는,Yb3+/Er3+공첨가 실리카 마이크로스피어 증폭 자연방출出(ASE)광원으로 여기-발광튜닝된 레이저를 연구했다.ASE빛을 이용하는 것와 함께,광대역 튜닝 과정에서 미세 공진기의 커플링 조를 연결합니다.건의 동기화 조정을 피하고미세 공진기를 이용한 튜너블 레이저의 실제 적용을 용이하게 하기 위해했다.Yb3+/Er3+공첨가 실리카 마이크로스피어에서는 중심 파장1μm의ASE광원이 편광에 둔감하기 때문에, 약1595nm의안정적인 단일 모드 레이저가 발생하였다.레이저 모드의 전체 광 변조, 마그네트론 모드의 전체 광 변조를 위해스퍼터링으로 구리 박막을 코팅했다.마이크로 스피어 가열 제어 및 레이저 모드의 선형 튜닝,마이크로 스피어 스템에서 입사하는 구리막에 의한 것이다.ASE빛의 흡수에 의한 열매드러냈다. 튜닝의 범위는190GHz에 도달했다.

발표 내용:

슈퍼 컨티뉴엄(SuperContinuum)SC)광원은 광대역 및 코히어런트 백색 펄스 광원이며, 광원은단 하나의 광원으로 넓은 파장 범위를 커버하여 분광분석이나OCT등에 활용할 수 있다. 지금까지SC광원 생성에는 일반적으로 석재영국산 섬유가 사용되고 있으며2400nm이상의 파장을 커버할 수 없었지만최근 들어 나노 구조로 인해 그레이디드 인덱스(Graded Index)GRIN)섬유를 실현하는 방법이 제안되어비선형성이 크고 투과 대역폭이 넓은 재료로 섬유를 제작할 수 있게 되었습니다.했다. 본 연구에서는 텔라이트GRIN멀티모드 파이버를 생성하고,790~2900nm의SC를 발생시키는 데 성공했다.이 결과는SC광원의 저에너지화적외선으로의 파장 연장의 길을 열어주는 것이다.

발표 내용:

리튬 니오베이트(LN)는나노 스케일 도파관에 강력하게 모드가 갇혀 있고, 나노 스케일 도파관으로동시에 이차 비선형성이 크다，분산 제어가 용이하다，분산 제어가 용이하다，고급 비선형성주기적 구조를 이용한 위상정합이 가능한 등의 특징을 가진 우수한 성능의한 플랫폼이지만한편, 워크 오프의 작은 상태에서의 주파수 컴의 실증에 대해서는미개척이다. 본 논문에서는LN박막의 분산 제어를 이용한 광대역광주파수 콤의 발생, 중심 파장1560nm및780nm에서 실증한다. 이 실증에서 각 파장대별로 각각80nm,12nm의 대역폭을 달성했다.이 결과는 2차 솔리톤 발생의 길을 열어주는 것이다.

발표 내용:

랜덤 비트 생성기는 정보 보안, 암호화, 암호화, 랜덤 비트 발생기, 랜덤 비트 생성기, 랜덤 비트 생성기확률 모델, 시뮬레이션에서 중요하다.현재 랜덤 비트 생성에는속도와 확장성이 과제가 되고 있다. 본 연구에서는단일 마이크로 링 공진기를 기반으로 100Tbit/초의s 규모의 초고속 랜덤 비트 생성을 위한 대규모 병렬 스키마로제안한다. 마이크로링 공진기 내 변조 불안정성(MI)에 의한 카오스 컴을 이용하여편견 없이 수백 개의 독립적인 랜덤 비트 스트림을 동시에 처리합니다.생성하는 것이 가능하다. 개념검증 실험에서는단 7개의 통신선만으로 2Tbit/초의s 이상의 랜덤 비트 스트림을 생성할 수 있음을 보여주었다.이 비트율은사용하는 통신선 수를 늘리면 쉽게 개선할 수 있습니다.. 본 연구의 접근 방식은 안전한 통신과 고성능 컴퓨팅을 위한매우 우수한 속도와 확장성을 갖춘 칩 스케일 랜덤비저빌리티생성하는 것을 실현했다.

발표 내용:

자기잠금 라만 단일 솔리톤을 생성하고OPO와 유도 라만 산란 사이의 상대적 임계값 파워를 조정합니다.에 의해,주파수컴의 다양한 스펙트럼 다이내믹스를 특성화했다.라만 산란 광자를 통해 넓은 RF 선폭(320kHz)을 가지고 있습니다.sech2포락선 라만콤을 생성할 수 있습니다,특정 조건 하에서동시에 자발적이고 결정론적인 라만 단일 솔리톤의 생성이 달성되고다. 이 자체 잠금 식 단일 솔리톤은,외부 잠금장치 없이 생성되며2시간 이상 유지되었다. 또한,마이크로캐비티 내에서 SBS 생성에 적합한 FSR을 필요로 하는 부스릴안솔리톤과 달리, 릴안솔리톤은라만솔리톤은 그런 제약이 없고, 라만솔리톤은다양한 반복률의 솔리톤을 생성할 수 있다.이 연구는자기 잠금 라만 단일 솔리톤을 생성한 최초의 실험이다..

발표 내용:

집적 칩 스케일의 OFD(광주파수 분주)를 입증하고, 매우 높은저소음의
밀리미터파 발생을 실현했다. 큰 모드 부피를 가진 평면 도파관 기반코일 공진기를
를 사용하여 위상 안정성을 확보하고, 도파관 결합 마이크로 공진기를 이용하여 발진살아있는 솔리톤마
이크로컴을 이용하여 빛에서 밀리미터파 주파수까지 분주하였다. 생성된100GHz 신호의
위상 잡음으로 기존에 보고된 SiN 기반의 마이크로파 및두 자릿수 이상 낮음
오프셋 주파수 10kHz에서 -114dBc/Hz의 잡음레벨벨을 달성했다.
밀리미터파 발생의 집적화는 통신, 레이더, 센싱 시스템에서 흔들림이 없는이크스루가 되어
얻는 기술이며, 이번 소자는 향후 반도체 레이저, 증폭그릇, 포토디테
쿠타와 이종 집적화가 가능하여 폭넓은 응용이 가능하다.

발표 내용:

실리콘 나이트라이드(SiN)에 의한 Kerr 솔리톤 발생과실리콘(Si)을 이용한 변조기, 분산 보상기, 수신기를 집적화하여단일모드 광섬유에서 WDM 통신을 시연했다. 20km 길이의 SMF에서 1.68Tbit/초를 달성했다.s의 통신 속도를 달성하고, 40km SMF에서 분산 보상을 상용 트랜시버의 1/10 수준으로 달성했다.6까지 낮추는 데 성공했다. 향후 10Tbit/초s 이상의 데이터 전송률을 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 이를 통해데이터센터 등에서의 상호 연결을 고효율화할 수 있을 것으로 기대된다.