革命的電気光学レーザーが30GHzパルスレート実現、超高速イメージングと通信へ道筋

超高速レーザーは、フェムト秒単位で持続する一連の光パルスを生成します。これらは周波数コムとして機能し、電磁スペクトルのマイクロ波領域と光学領域を橋渡しする周波数と時間の基準を提供します。

これらのパルスの位相を制御できるため、物質の量子状態の操作から光原子時計まで、多様な応用があります。超高速レーザーの能力は長年にわたり向上してきましたが、モードロック共振器の完全な安定性が必要です。

国立標準技術研究所（NIST）の研究者たちが、モードロックなしで一連の光学パルスを生成する代替アプローチを開発しました。これを電気光学レーザーと呼び、従来の超高速レーザーの100倍高速でパルスを放出します。基本的には、一般的な電子機器で開発されたレーザーの電気光学変調です。

電気光学レーザーの構築アイデアは非常にシンプルで、技術は約50年前から存在していますが、科学者たちは電子干渉を排除しながら超高速パルスを放出するように光を切り替えることができませんでした。

通常、モードロック法では、ミラー共振器内で光を往復させ、波が建設的に干渉して短パルスを生成するようにします。しかし、新技術はより力技的なメカニズムで動作します：連続レーザービームを個別のパルスに切り刻み、熱誘起干渉を低減します。

信号が共振器内で往復すると、固定波が最高周波数に現れ、他のすべての周波数を遮断します。信号の安定化とフィルタリングはこの共振器内で行われます。

より具体的には、連続波を放出する赤外線レーザーを使用し、カスタマイズされた共振器で安定化された発振器でパルスを生成しました。すべてのパルスは均一で、マイクロチップ波導構造を通過して周波数コムのさまざまな色を生成します。

参照: ScienceMag | doi:10.1126/science.aat6451 | NIST

従来の超高速光では光学周波数コムが光源として使用されます。このようなコムは、互いに重なり合う複数の光の色からパルスを生成し、マイクロ波と光学周波数をリンクするモードロックレーザーで構築されます。一方、電気光学レーザーは、赤外線レーザーに電子振動を適用し、パルスを光の中に効率的に形成します。

電気光学レーザーは特定周波数の光を分離して異なる色の周波数コムを形成 | David Carlson/NIST

モードロックレーザーは10ナノ秒ごとにパルスを生成しますが、電気光学レーザーは1パルス生成にわずか100ピコ秒しかかかりません（100倍高速）。

電気光学レーザーの構築にあたり、研究者たちは市販のマイクロ波および通信機器のみを使用することを選択しました。これによりシステムの信頼性が向上します。また、安定性と精度もかなり良好で、高速通信システムや光クロックネットワークの長期測定に適しています。

さらに、この種のレーザーは生物学的・化学的イメージングに使用して、組織/化学物質の特定タイプのイメージングを高速化できます。たとえば、通常1分かかるハイパースペクトルイメージングがリアルタイムで実行可能になります。

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