波長測定精度はキロヘルツオーダーである

中国科学技術大学（郭光燕大学）の院士チームである董春華教授と鄒長玲共同研究者は、このほど、光周波数コムの中心周波数と繰り返し周波数のリアルタイム独立制御を実現する汎用マイクロキャビティ分散制御機構を提案した。この機構を光波長の精密測定に適用することで、波長測定精度をキロヘルツ（kHz）単位まで向上させた。この研究成果はNature Communications誌に掲載された。
光マイクロキャビティに基づくソリトンマイクロコムは、精密分光法や光時計の分野で大きな研究関心を集めています。しかし、環境ノイズやレーザーノイズ、マイクロキャビティ内の追加の非線形効果の影響により、ソリトンマイクロコムの安定性は大きく制限されており、微光レベルコムの実用化における大きな障害となっています。これまでの研究では、科学者は材料の屈折率やマイクロキャビティの形状を制御してリアルタイムフィードバックを実現することで光周波数コムを安定化・制御していましたが、これによりマイクロキャビティ内のすべての共鳴モードが同時にほぼ均一に変化し、コムの周波数と繰り返しを独立して制御することができませんでした。そのため、精密分光法、マイクロ波光子、光測距などの実用場面における微光コムの応用は大きく制限されていました。

この問題を解決するため、研究チームは、光周波数コムの中心周波数と繰り返し周波数を独立してリアルタイムに制御できる新たな物理メカニズムを提案しました。2つの異なる微小共振器分散制御手法を導入することで、異なる次数の微小共振器の分散を独立に制御し、光周波数コムの異なる歯の周波数を完全に制御することが可能になりました。この分散制御メカニズムは、窒化シリコンやニオブ酸リチウムなど、これまで広く研究されてきた様々な集積光子プラットフォームに共通しています。

研究チームは、ポンピングレーザーと補助レーザーを用いて、微小共振器内の異なる次数の空間モードを独立に制御することで、ポンピングモード周波数の適応安定性と周波数コム繰り返し周波数の独立制御を実現しました。研究チームは、光コムを基盤として、任意のコム周波数を高速かつプログラム的に制御できることを実証し、これを波長の精密測定に適用することで、キロヘルツオーダーの測定精度と複数波長の同時測定能力を備えた波長計を実証しました。これまでの研究成果と比較すると、研究チームが達成した測定精度は3桁向上しました。

この研究成果で実証された再構成可能なソリトンマイクロコームは、高精度測定、光時計、分光法、通信に適用される低コストのチップ統合型光周波数標準の実現の基礎を築くものです。