新型光学周波数コムチップが携帯型原子時計およびナビゲーションシステムの発展を支援

研究者たちは、重要なテストにおいて大型卓上システムと同等の性能を発揮し、かつ単一デバイスで複数の測定タスクを実行できるチップベースの光学周波数コムを実証した。これは携帯型原子時計およびGPSを必要としないナビゲーションシステムに向けた重要な一歩となる。このデバイスは、自己整合パラメトリック駆動キャビティソリトン（SParCS）と呼ばれる新しい手法を採用している。光学周波数コムは、精確に等間隔に配置された一連の光周波数を生成し、科学者が光学周波数を測定し、それを電子信号に接続するための定規を形成する。Joint Quantum Institute（JQI）、National Institute of Standards and Technology（NIST）、および国際的な共同研究者たちの研究者たちは、マイクロ波信号（1秒あたり数十億回の振動）と、1秒あたり数百兆回で動作する光学光源を接続することで、チップをテストした。

ある原子時計テストにおいて、このチップは極めて安定した光学基準を、従来の電子機器が読み取れるマイクロ波信号に変換した。測定された生の光学周波数は、1秒あたり数百兆回の振動で、予想される原子値から約100,000回/秒の差しかなかった。

SParCS手法の革新

従来のチップスケール周波数コムは通常、単一のレーザーを微小なリング共振器に注入する。その結果生成される周波数コムは両側の周波数に広がるが、外側の「歯」が弱く不明確になり、追加の装置で増幅・安定化する必要があった。一方、SParCSは2つの異なる周波数のレーザーを周波数コムの端または「ブックエンド」として使用する。それらの間に他の周波数が形成される。研究者たちはこの手法を同期技術と組み合わせ、周波数線を実用的な周波数コムに整列させた。これにより、チームが2024年にパラメトリック駆動キャビティソリトンを初めて実証した際に生じた問題が解決された。

あの実験では複数組の重なり合う周波数線が生成され、デバイスを実際の測定に使用することが困難だった。2レーザー設計により、研究者たちは1オクターブにわたる周波数コムを作成することができた。これは最高周波数が最低周波数の約2倍であることを意味する。この範囲は、周波数コムのゼロ周波数オフセットを決定する上で極めて重要であり、これは精密な周波数測定に必要な校正である。

チップの性能比較

研究者たちは、同じマイクロ波源と光学源を使用して、このチップを従来の卓上周波数コムと直接比較した。彼らのテスト範囲内では、チップが生成する周波数は、大型システムの安定性とノイズ性能とほぼ同等だった。チームは逆変換も行い、光学光源の安定性をマイクロ波信号に変換した。低ノイズレーザー基準を用いて、チップは低ノイズのマイクロ波を生成し、この能力はレーダーや他の精密測定システムにも恩恵をもたらす可能性がある。重要なことに、研究者たちは異なるデモンストレーションで同一のチップを使用し、接続する光源を変えただけで、各アプリケーションごとに専用のマイクロ周波数コムを作製しなかった。

JQIの研究科学者Grégory Moille氏は、「実験者として、この新しい光学周波数コムは我々の多くの作業を簡素化した。このシステムにより、1人のオペレーターだけで各アプリケーションを処理できるようになった」と述べている。

研究者たちは、以前のチップベースの周波数コム実験では、数人の研究者が数週間から数ヶ月を費やしてようやく実用的な結果を得られたと指摘する。彼らの研究室では現在、ほとんどのマイクロ周波数コム実験をSParCSに移行しており、過去1年間で、それ以前のすべての年を合わせた数の10倍以上のマイクロ周波数コムを安定化させた。チームは引き続き周波数範囲の拡大を計画し、この手法が最終的に単一レーザーで動作可能かどうかを研究している。この研究は『Nature』誌に掲載された。

新型チップが周波数測定に与える影響

新型光学周波数コムチップの登場は、周波数測定技術における重大な進歩を示している。SParCS手法を通じて、研究者たちは周波数コムの安定性と精度を向上させることに成功し、携帯型原子時計およびナビゲーションシステムの実現をより現実的なものにした。この技術は実験プロセスを簡素化しただけでなく、実験効率を大幅に向上させ、レーダーなど将来の精密測定システムにも潜在的な応用価値を持つ。研究が深まるにつれ、単一レーザー動作が実現すれば、この技術の普及と応用がさらに促進されるだろう。