高精度時刻周波数同期に向けたオンチップ絶対位相制御電気光学変調コムの創製

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00357
• 研究機関: 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所
• 研究代表者: 石澤 淳 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 主任研究員 (30393797)
• 研究分担者: 高 磊 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (40650429) ; 徐 学俊 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 主任研究員 (80593334) ; Cong Guangwei 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (20470049) ; 山田 浩治 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究グループ長 (50574927) ; 西川 正 東京電機大学, 工学部, 教授 (20374069) ; 山本 宗継 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (00358285) ; 増子 拓紀 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (60649664) ; 赤塚 友哉 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子科学イノベーション研究部, 主任研究員 (90548257) ; 今井 弘光 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子科学イノベーション研究部, 研究主任 (00649551)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 光周波数コム / マイクロ波 / シリコンフォトニクス / 広帯域光発生

研究実績の概要

本研究の目的は，超高速光技術とシリコンフォトニクス技術を融合させることで電気光学変調コムをオンチップ集積し，超高精度にマイクロ波と光波を直接変化することができる周波数変換ギアとして光周波数からマイクロ波あるいはその逆方向に，高度に制御することにより，従来の光シンセサイザーの枠組みを超えて光を起点として任意の周波数の電磁波(サブPHｚからkHz迄)が発生な可能な“光RFシンセサイザー”を開拓することである．昨年度は分担研究者の所属する産業技術総合研究所が作成したシリコン変調器を用いて，電気光学変調コムの発生を行った．しかし，光コムのスペクトル帯域幅が不十分であったため，今年度は光コムの帯域幅拡大の実現を目指す．また，高品質なEr添加した単結晶酸化希土類(Rare-Earth Oxide, REO)薄膜をSOI基板上にエピタキシャル成長した．オンチップ光増幅器を実現するために，低損失SiN/REO/SOI積層導波路を製作し，約2.3 dB/cmの伝搬損失が得られた．更に，光ポンピングすることで、約24 dB/cmの光信号増強を観測に成功した．また，電気光学変調コムを用いた低雑音なマイクロ波発生には制御回路のフィードバック帯域の拡大が必要であることも見出し，光路長の短尺化を行った．広帯域光発生用の繰り返し周波数を低減する光ゲート(パルスピッカー)や高非線形ファイバを使用せず，波長分散制御を行うことで，全光ファイバーベース電気変調コムを用いた世界最短光パルス列となる25 GHz繰返しフェムト秒光パルス列発生に成功した．更に，その短光パルス列を5 mm長SiN導波路に光結合することで25 GHzモード間隔の2/3オクターブ帯域光発生に成功した．この結果、EOコムの光路長(10 m程度)を2 m程度短尺化でき，光学系の簡便化を実現した．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

一昨年は新型コロナウィルス感染症拡大の影響で密を避ける為に研究活動の人数及び日数が制限を受けた影響も大きく，研究計画が予定通り進まなかったが，昨年度は徐々に出社制限が緩和され，研究活動の効率化を図ったため順調に進展している．

今後の研究の推進方策

本年度は，シリコン変調器ベースの光コムのモデル構築を行う．そのモデルを次回のシリコン変調器にフィードバックし，電気光学変調コム発生用のシリコン変調器へと進化させる．新たな非線形導波路を用いた高効率な広帯域発生にも挑戦する．

研究成果

• [雑誌論文] Direct f-3f self-referencing using an integrated silicon-nitride waveguide (2022)
  • 著者名/発表者名: Ishizawa Atsushi、Kawashima Kota、Kou Rai、Xu Xuejun、Tsuchizawa Tai、Aihara Takuma、Yoshida Koki、Nishikawa Tadashi、Hitachi Kenichi、Cong Guangwei、Yamamoto Noritsugu、Yamada Koji、Oguri Katsuya
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 30 ページ: 5265～5265
  • DOI: 10.1364/OE.449575
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Precise spectroscopy of ¹⁶⁷Er:Y₂SiO₅ based on laser frequency stabilization using a fiber laser comb (2021)
  • 著者名/発表者名: Yasui S.、Hiraishi M.、Ishizawa A.、Omi H.、Kaji R.、Adachi S.、Tawara T.
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 29 ページ: 27137～27137
  • DOI: 10.1364/OE.433002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low-loss erbium-incorporated rare-earth oxide waveguides on Si with bound states in the continuum and the large optical signal enhancement in them (2021)
  • 著者名/発表者名: Xu Xuejun、Inaba Tomohiro、Tsuchizawa Tai、Ishizawa Atsushi、Sanada Haruki、Tawara Takehiko、Omi Hiroo、Oguri Katsuya、Gotoh Hideki
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 29 ページ: 41132～41132
  • DOI: 10.1364/OE.437868
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low-noise optical measurement of sound using midfringe locked interferometer with differential detection (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa Kenji、Shiraki Yoshifumi、Moriya Takehiro、Ishizawa Atsushi、Hitachi Kenichi、Oguri Katsuya
  • 雑誌名: The Journal of the Acoustical Society of America 巻: 150 ページ: 1514～1523
  • DOI: 10.1121/10.0005939
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 25 GHz 繰り返しフェムト秒光パルスを用いた 2/3 オクターブ帯域光発生 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉田光貴，石澤 淳，高 磊，徐 学俊，吉川優剛，土澤 泰，相原卓磨，西川 正，コン グァンウェイ，山本宗継，山田浩治，小栗克弥
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会，25p-D215-1，青山学院大学，2022年3月
• [学会発表] 167Er 3+:Y2SiO5における零磁場下での通信波長帯Atomic Frequency Comb時間多重量子メモリプロトコルの実証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 安井翔一郎，平石真也，石澤 淳，尾身博雄，稲葉智宏，Xuejun Xu，鍜治怜奈，足立 智，俵 毅彦
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会，25p-D214-4，青山学院大学，2022年3月
• [学会発表] ヘリオットセルを用いたデュアル電気光学変調コム分光の高感度高速計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 金川誠矢，村山大誠，森田拓海，石澤 淳，西川 正
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会，25p-E302-3，青山学院大学，2022年3月
• [学会発表] Er3+:Y2SiO5結晶上における表面弾性波の生成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 太田竜一，徐 学俊，稲葉智宏，眞田治樹，石澤 淳，俵 毅彦，小栗克弥，山口浩司 ，岡本 創
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会，23p-D316-2，青山学院大学，2022年3月
• [学会発表] マルチモード化したSiN導波路による非線形光学効果の増強 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉田光貴，石澤 淳，高 磊，徐 学俊，吉川 優剛, 土澤 泰，相原 卓磨，西川 正，コン グァンウェイ，山本 宗継，山田 浩治，小栗 克弥
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会，第42回年次大会，P01-13a-P-03，オンライン開催，2022年1月
• [学会発表] 167Er3+:Y2SiO5 における Atomic Frequency Comb 多重量子メモリプロトコルの実証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 安井 翔一郎, 平石 真也, 石澤 淳, 尾身 博雄, 稲葉 智宏, Xuejun Xu, 鍜治 怜奈, 足立 智, 俵 毅彦
  • 学会等名: 第 57 回 応用物理学会北海道支部 第 18 回 日本光学会北海道支部 合同学術講演会プログラム, B-12 オンライン開催，2022年1月
• [学会発表] 広帯域SC光発生に向けたSiスロット導波構造の最適化 (2022)
  • 著者名/発表者名: 里 亮介, 高 磊, 山田 浩治, 北 智洋
  • 学会等名: 第69回応用物理学会春季学術講演会, オンライン開催
• [学会発表] Tunable generation of low-phase-noise microwave signals (2021)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Ishizawa, Tadashi Nishikawa, Kenichi Hitachi, Koki Yoshida, Hideki Gotoh, and Katsuya Oguri
  • 学会等名: 2021 International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP), 15-17 Nov. (2021). DOI: 10.1109/MWP53341.2021.9639410
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Simple carrier-envelope-offset locking with f-3f self-referencing directly from a dispersion-controlled silicon-nitride waveguide (2021)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Ishizawa, Shota Kawashima, Rai Kou, X. Xu, Tai Tsuchizawa, Takuma Aihara, Koki Yoshida, Tadashi Nishikawa, Kenichi Hitachi, Guangwei Cong, Noritsugu Yamamoto, Koji Yamada, and Katsuya Oguri
  • 学会等名: CLEO CLEO/EUROPE-EQEC 2021, ED-P2, (2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Frequency and Time Domain Measurements of 167Er3+:Y2SiO5 by Stabilizing the Optical Frequency Using a Fiber Laser Comb (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Yasui, M. Hiraishi, A. Ishizawa, H. Omi, R. Kaji, S. Adachi, T. Tawara
  • 学会等名: ISNTT2021, S08-5, 2021.12.
  • 国際学会
• [学会発表] Dependence of Supercontinuum Light on Incident Laser Polarization and Dispersion-controlled SiN Waveguides (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Yoshida, A. Ishizawa, R. Kou, X. Xu, T. Tsuchizawa, T. Aihara, Y. Kikkawa, T. Nishikawa, K. Hitachi, G. Cong, N. Yamamoto, K. Yamada, and K. Oguri
  • 学会等名: ISNTT2021, P1-35, 2021.12
  • 国際学会
• [学会発表] SiN導波路におけるスペクトル 強度の入射位置依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田光貴，石澤 淳，高 磊，徐 学俊，吉川優剛，土澤 泰，相原卓磨，西川 正，コン グァンウェイ，山本宗継，山田浩治，小栗克弥
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会, 10a-N107-1, 2021年9月
• [学会発表] Evaluation of Homogeneous Linewidth of 167Er:Y2SiO5 in Frequency Domain Measurement using Laser Stabilization with Optical Frequency Comb (2021)
  • 著者名/発表者名: Shoichiro Yasui, Masaya Hiraishi, Atsushi Ishizawa, Hiroo Omi, Reina Kaji, Satoru Adachi, and Takehiko Tawara
  • 学会等名: The 2021 International Conference on Solid State Devices and Materials,E-6-05, Sep. 8 (SSDM2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Optimization of Silicon waveguide for supercontinuum generation using μ-Transfer printing (2021)
  • 著者名/発表者名: 里 亮介, 高 磊, 山田 浩治, 北 智洋
  • 学会等名: Photonic Device Workshop 2021, オンライン開催 (2021.12)
• [学会発表] Optical coupling between Er3+ and integrated microring resonators on Si (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaya Hiraishi, Tomohiro Inaba, Xuejun Xu, Haruki Sanada, Tai Tsuchizawa, Atsushi Ishizawa, Takehiko Tawara, Hiroo Omi, Jevon Longdell, Katsuya Oguri, and Hideki Gotoh
  • 学会等名: 2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会，12a-N103-10， 2021年9月
• [学会発表] Photoluminescence Enhancement of Erbium Ions in Rare-earth Oxide Thin Films Using Si-based Microring Resonators (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Hiraishi, T. Inaba, X. Xu, H. Sanada, T. Tsuchizawa, A. Ishizawa, T. Tawara, H. Omi, J. Longdell, K. Oguri, and H. Gotoh,
  • 学会等名: International Symposium on Novel maTerials and quantum Technologies (ISNTT 2011), P1-21, December 14-17, 2021