光学・フォトニクス：プログラマブル・オンチップ非線形フォトニクス

非線形光学は、古典的・量子的な多くのフォトニック技術において、中心的な役割を果たしている。しかし、非線形光学デバイスの機能は通常、設計時に決定されて製造時に固定されるため、非線形光学技術の使用は、この柔軟性の低さが許容される用途に限定されてきた。今回我々は、リアルタイムで高度にプログラム可能な非線形機能を持つフォトニックデバイス、すなわち、χ⁽²⁾非線形性の二次元分布を自在に再設定できるスラブ型光導波路を提示する。非線形性は電界誘起χ⁽²⁾を用いて実現され、そのプログラム可能性は、光導電体層を用い、空間光パターンの光学的プログラミングによってデバイス内の電界分布を大規模並列制御することにより実現された。我々は、今回のデバイスの汎用性を示すために、任意の擬似位相整合構造を二次元平面内で実現することによって、第二次高調波発生をスペクトル領域、空間領域、そして空間・スペクトル領域で操作できることを実証した。このデバイスのプログラム可能性によって、in situでの擬似位相整合構造の逆設計に加え、動作条件や環境条件の変動を補償するためのリアルタイムフィードバックが可能になる。今回の研究結果は、従来の「1デバイス1機能」パラダイムから脱却して、デバイス機能の高速切り替えが望ましい状況、例えば、プログラム可能な光量子ゲートや量子光源、全光信号処理、光コンピューテーション、センシング用の適応的構造化光にまで、非線形光学の応用範囲を拡張できる可能性があることを示している。

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