光物理学：シリコンフォトニクスにおける三次元集積によって実現された超低雑音でアイソレーター不要のレーザー
Nature 620, 7972 doi: 10.1038/s41586-023-06251-w
フォトニック集積回路は、遠隔通信やデータセンターの相互接続などの用途に広く使われている。しかし、マイクロ波シンセサイザー、光ジャイロスコープ、原子時計などの光システムでは、フォトニック集積回路は、サイズ、重量、消費電力、コストにおいて有利であるにもかかわらず、劣った解決策であるといまだに考えられている。こうした高精度で高度にコヒーレントな用途は、他のフォトニック部品と共に、超低雑音レーザー光源をコンパクトでしっかりと配置させた形、つまり単一チップ上に集積して、バルク光学系や光ファイバーをフォトニック集積回路で置き換えるのに、好都合である。しかし、想定されるこうしたフォトニック集積回路の実現を阻む大きな課題が2つある。それは、半導体レーザーの高い位相雑音と、光アイソレーターをチップ上に直接集積することの困難さである。今回我々は、三次元集積を利用して、動作にアイソレーターを必要としない超低雑音レーザーをシリコンフォトニクス向けに実現することによって、この従来の課題に挑んだ。複数のモノリシック加工シーケンスと異種加工シーケンスを通して、III–V族利得媒質と、光損失が約0.5 dB m−1の超低損失窒化シリコン導波路の直接オンチップ集積が実証された。その結果、実証されたフォトニック集積回路は、超高Q値の共振器によって、光アイソレーターを必要としない超低雑音のレーザーやマイクロ波シンセサイザーを実現できる領域に入っている。さらに、こうしたフォトニック集積回路によって、複雑な機能や大量生産のための優れたスケーラビリティーだけでなく、長期にわたって向上した安定性と信頼性も得られる。従って、超低損失フォトニック集積回路の三次元集積は、シリコン上での複雑なシステムやネットワークの実現に向けた要な一歩となる。
