シリコンナイトライド上の集積可変緑色光源

小さなチップでより明るい緑色光

緑色レーザーは海底データリンクから精密切断、量子実験に至るまで幅広く用いられますが、現在はしばしば大型で消費電力が大きく、調整が難しいことがあります。本研究は、現代のフォトニクスで使われるのと同じプラットフォームであるシリコンナイトライドチップ上に、強力で可変な緑色光源を小型に集積する方法を示しており、通信やセンシングシステムに直接接続できるコンパクトなデバイスの実現に道を開きます。

緑色光が作りにくい理由

およそ510〜560ナノメートルの緑色帯の光は技術的に価値が高い一方で、チップ上で効率的に生成するのは意外と難しいです。半導体レーザーは赤や青の領域は容易にカバーしますが、緑色では内部効率が低下し、出力が弱く調整も困難になります。これを避けるためにエンジニアは通常、赤外レーザーの周波数を特別な結晶内で倍波あるいは混合して得ますが、テーブルトップの手法を集積チップに翻訳するのは難題でした。従来のデバイスは、緑色出力がマイクロワット級にとどまるか、あるいは調整幅がごくわずかなナノメートル程度に限られ、実用性が制約されていました。

微小リング内で赤外を緑へ変換する

研究チームはこの課題に対し、シリコンナイトライド製のマイクロリング（チップに刻まれたラケット形状の導波路で光をトラップし何千回も循環させる）を用いて対処します。リングには波長約1マイクロメートルの連続波赤外レーザーをポンプ光として注入します。リング内部では強い光が全光ポーリングと呼ばれるプロセスを誘起します：多光子吸収によって微小な方向性のある電流が発生し、それがリングに沿って規則的に配列された静的電場を生成します。この電場は事実上組み込みのグレーティングを「書き込み」、材料が赤外光をその二次高調波、すなわち緑色へと従来よりずっと効率良く変換できるようにします。

高出力と低駆動電力を同時に実現

この自己書き込みグレーティングを利用して、研究者たちはチップ上で最大3.5ミリワットの緑色光を得ており、この波長域のシリコンナイトライドとしては記録的な出力です。同じくらい重要なのは、同種のデバイスがグレーティング形成の閾値に達するために必要なポンプ光が数ミリワット程度と非常に低く、外部増幅器なしにオンチップレーザーで直接供給可能であることを示した点です。緑色出力が時間とともにどのように成長するかをモニターし、その出力が既存のパターンを読み取っているのではなく、光場自身がゼロから構築していることを確認しています。1050〜1070 nm のポンプ範囲にわたる多くのリング共振で、デバイスは再ポーリングして異なる波長で緑色を生成でき、グレーティングパターンが固定ではなく再構成可能であることを示しています。

色を操るための光コムの活用

マイクロリングの特性はまた、ポンプの周りに等間隔の色の集合を形成し互いに位相同期した光学周波数コムを生成することも可能にします。こうしたコヒーレントなコムが形成されると、その赤外線ラインのペアが和周波プロセスで新たな緑色波長を生み出すことがあります。注目すべきは、これらの混合信号がリング内部に独自のグレーティングを書き込むことができ、元の二次高調波プロセスとは独立している点です。ポンプレーザーをわずかにシフトさせ単一の共振内に留めることで、著者らは支配的な緑色ラインを11ナノメートルの範囲で切り替えられます。ポンプをさらに広い範囲で走査すると、511〜540ナノメートルの緑色帯を密にカバーし、多くの近接した実用的なラインを示せることを実証しています。

将来のデバイスにとっての意義

専門外の方への要点は、研究者たちがチップ規模で強力かつ高い可変性を持ち、エネルギー効率の高い緑色光源を構築したことです。複雑な固定構造を新たに製造する代わりに、光自身が単純なシリコンナイトライドリング内に効率的な変換に必要なパターンを書き込み、再び書き直すことを許しています。これに周波数コムを組み合わせることで、出力の微調整を行う内蔵の「色ダイヤル」が備わります。このようなデバイスは、量子ネットワーク、精密タイミング、生体医用イメージング、海中通信、産業加工などのためのコンパクトな緑色レーザーを、既に現代の光通信を支えるのと同じ種類のフォトニックチップ上に統合して提供する可能性があります。

引用: Wang, G., Yakar, O., Ji, X. et al. Integrated tunable green light source on silicon nitride. Light Sci Appl 15, 132 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02222-8

キーワード: 集積型緑色レーザー, シリコンナイトライドフォトニクス, 全光ポーリング, 周波数コム, 二倍高調波生成