レーザーの革命: 可変半導体リング技術

ウィーン工科大学（TU Wien）とハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学部（SEAS）の科学者チームが、可変半導体リングレーザーを製造する新しい方法を発表しました。これらの先進的なレーザーは、高出力通信やより高度な安全システムなど、さまざまな可能性を秘めています。以下が知っておくべきポイントです。

可変レーザーの種類とその利点

テオドア・H・マイマンが合成ルビーロッドを用いた最初のレーザーを実証してからわずか6年後に、研究者は可変レーザーの開発に取り組み始めました。固定波長の前身とは異なり、さまざまな波長で光を放射できるため、光通信や顕微鏡といった高精度の用途に最適です。その結果、可変レーザーは現在のハイテクおよび医療分野において重要な部品となっています。

可変レーザーのカテゴリ: ガス、ファイバー、OPO、半導体

現在、ガスレーザー、ファイバーレーザー、光パラメトリック発振器（OPO）、半導体レーザーなど、さまざまな可変レーザーが存在します。可変半導体レーザーは多くの人に最も先進的な選択肢と見なされています。コンパクトな形状で、広い波長帯をサポートし、十分な出力を提供します。

可変レーザーの欠点

可変レーザー技術は能力面で大きく飛躍してきましたが、依然として技術が最大限の可能性に到達するのを妨げる多くの制約があります。例えば、広い波長範囲を持つ可変レーザーは精度が低くなることが多いです。さらに、これらのデバイスの製造コストや全体的な脆弱性も、技術の進展への障壁と見なされています。

半導体レーザーのチューニング方法

半導体レーザーを作製・チューニングする主な方法は2つあります。最初の方法は、レーザーリッジに精密な回折格子を追加することです。この格子はナノスケールで正確な角度に切断され、周波数選択的な光フィードバックを生成します。この構成により、エンジニアはレーザー電流を変えることで特定の波長を増幅し、他の波長からの干渉を低減できます。

ソース – Military Aerospace

2番目の半導体レーザーのチューニング方法は外部キャビティを利用します。この構成では、回転する回折格子が正確な波長をキャビティに反射します。波長をレーザーに励起するキャビティは、回転させることで調整可能です。

現在の半導体レーザーの問題点

半導体レーザー分野には、エンジニアが長年克服しようと取り組んできたいくつかの欠点があります。まず、精度と波長範囲のバランスが依然として課題です。これまで、非常に高精度なデバイスか、さまざまな波長を十分にカバーできるデバイスのどちらかしか選べませんでした。

半導体レーザーのもう一つの問題は、温度上昇に伴い性能が大幅に低下することです。レーザーが熱くなると、出力や効率が失われ、最悪の場合は損傷します。そのため、広いスペクトルで長期間にわたる連続的なホップフリーチューニングを実現することは不可能でした。

半導体リングレーザー研究

これらの制限を認識したハーバードのエンジニアと他の著名な機関の科学者は、初の広帯域かつ高精度な半導体レーザーの開発に取り組みました。彼らはその過程を、科学誌 Optica に掲載された研究「Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers」で記録しました。

この論文では、リングアレイ量子カスケードレーザー（QCL）構造を用いた新しいタイプの可変半導体レーザーについて紹介しています。この構造は滑らかなチューニングと拡張されたスペクトル範囲を実現します。特に、量子カスケードレーザーは遠赤外領域でビームを生成する半導体レーザーです。

リングQCL設計: 独立したアドレス可能なアレイ

チームはまず、複数の小型で独立してアドレス可能なリングQCLを作製しました。リングレーザーは同一偏光の2本の光ビームを持ち、鏡で構成された閉ループ内で逆方向に放射します。この手法により、微小な動きを正確に測定できます。そのため、リングレーザーはジャイロスコープとしてナビゲーションシステムに広く利用されています。

この例では、研究者は量子カスケードレーザーの活性材料とドライエッチングプロセスを用いてリングレーザーを作製しました。さらに、各リングには電気接続とバスウェイブガイドが追加されました。エンジニアは、このアプローチにより性能が向上し、バスウェイブガイドの光損失が低減されたと指摘しています。

各リングは異なる半径になるように設計されました。サイズが異なるリングを使用することで、各領域で異なる発振周波数が得られます。この手法により、エンジニアは各リングを個別にチューニングでき、発振の低下を防げました。

リングカップラーを用いた単一モード発射の実現

この独自の手法により、エンジニアは複数のリングを組み合わせて特定の出力と波長を生成できました。システムは、エバネッセント方向性カップラーを用いて各リングのビームを直線部の単一ウェイブガイドに結合します。方向性カップラーは光が一方向にのみ伝搬するようにし、ゲイングラティングを防止します。

ファセットベース設計によるウェイブガイド放射

チームは、レーザーが独自の光放射方式を採用していることを指摘しました。このシステムは、バスウェイブガイドを通すファセット放射方式に依存しています。ウェイブガイドは、常温で必要に応じてレーザーの周波数をチューニングおよび増幅するために使用できます。

モジュラーリングレーザー設計によるスケーラビリティの実現

このレーザー構成のモジュラーデザインにより、エンジニアは用途に応じてスケールアップまたはスケールダウンが可能です。また、リングレーザーは同時に動作させることも、単一リングモードで使用することもできます。その結果、レーザーを組み合わせることでより強力で高強度なビームが得られ、特定のハイテク応用に最適です。

半導体リングレーザーのテスト

エンジニアは、TU Wien のマイクロ・ナノ構造センターのクリーンルーム施設で理論を検証しました。ここで、5つのリングそれぞれが異なる半径を持つ発振デバイスを作製しました。具体的には、リングサイズは 220〜260 µm の範囲でした。

作製後、チームはさまざまなレーザー構成と波長でテストを実施しました。あるケースでは、3つの異なるリングのチューニング範囲を組み合わせ、広帯域でモードホップフリーのチューニングを試みました。

半導体リングレーザーのテスト結果

テスト結果はエンジニアのモデルを裏付けました。チームは、単一リングQCLが常温で連続波動作時に最大 0.5 mW のビームを放射できることを確認しました。また、レーザーのファセットに強い光注入があっても、チップは安定した波長出力を維持することが判明しました。これらのテストは、新しいレーザー設計が高レベルの光フィードバック下でも耐性があることを示しています。

さらに、エンジニアは性能がマルチセクション DFB レーザーと同等であることを指摘しました。この発見は、各レーザーの活性領域に独自の格子を作製する必要がなくなるという点で大きなマイルストーンです。

具体的には、チームは3つのレーザーリングを用いて 266 GHz から 395 GHz の光帯域幅を滑らかにスイープできました。スイープはスムーズで、各リング間のスペクトル重複は最小限でした。特に、デバイスは大量の光注入下でも非常に安定したビーム生成を実現しました。

半導体リングレーザーの利点

この研究がレーザー市場にもたらす利点は多数あります。まず、この設計は可動部品がなく、製造がはるかに容易でコストも抑えられます。高性能レーザーの製造コストを削減することで、さまざまな利用シーンやさらなる普及への道が開かれます。

小型化

このデバイスは、特定のニーズに合わせて拡大・縮小可能なリングレーザーを採用した小型の形状を持ちます。この戦略により、波長の微調整と安定した放射が可能です。小型レーザーは将来の技術やウェアラブルデバイスの推進に寄与します。

特に、従来の可変レーザーは一度に単一波長を放射しますが、リングアレイレーザーのモジュラリティにより、複数のリングが同時に動作し、異なるリング半径を用いて個別の波長を狙うことができます。

フィードバック低減とビーム安定性の向上

複数のリングレーザーと一方向性カップラーの使用により、従来のレーザー設計で問題となっていた逆反射が低減されます。その結果、この構造はより高出力のレーザーをサポートし、前世代よりも強力なビームを生成できます。

半導体リングレーザーの実世界での応用

この技術にはさまざまな実世界での応用があります。まず、レーザーは現在のハイテク分野で重要な競争要素です。より強力で有用なデバイスを作ることで、現在の技術コストを削減し、革新的な製品の導入を促進します。以下はこの技術の他の活用例です。

通信

通信業界は常により高出力のレーザーを求めています。この最新の開発により、かつて想像できなかった高速データ伝送が可能なスーパー ネットワークの構築が期待されます。将来的には、宇宙旅行者が数百万マイル離れた地球と通信できるよう、宇宙全体にデータを送信できるデバイスになる可能性があります。

医療

医療分野ではさまざまな目的でレーザーが使用されています。疾患のスキャンから視力矯正まで、これらのレーザーは将来数百万人の健康改善に寄与するでしょう。小型化と柔軟性、精度の向上により、次世代の自動医療サービスや手術が実現します。

安全性

高出力レーザースキャナーは、ガスや化学産業など複数の業界で不可欠な部品です。これらの装置は微細な問題を検出し、壊滅的な故障を防止します。本技術はガスパイプラインの漏れ検知やインフラの劣化監視など、人口の安全を守る重要な作業に役立ちます。

半導体リングレーザーのタイムライン

半導体リングレーザーは今後5〜7年で市場に登場する可能性があります。この技術への需要はすぐに高まっており、メーカーはより小型で高度な製品の開発に積極的です。軍事への統合に関しては、将来の戦場の需要に応えるため、開発が加速されタイムラインは短縮されるでしょう。

半導体リングレーザー研究者

半導体リングレーザーの研究は、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学部（SEAS）とウィーン工科大学（TU Wien）の共同プロジェクトです。研究はフェデリコ・カパッソとヴィントン・ヘイズが共同で指揮しました。また、研究にはヨハネス・フックスベッガー、テオドア・P・レツオウ、ドミトリー・カザコフ、ロルフ・スゼドラック、ベネディクト・シュヴァルツが重要な貢献者として挙げられています。特に、国防総省と米国国立科学財団が助成金で資金提供しました。

半導体リングレーザーの今後は？

研究者は現在、成果の特許取得手続きの途中です。その後、製造コストをさらに削減するためにメーカーと協力する予定です。また、チームはリング数を増やした際のスケーリング効果についても研究します。

レーザーセクターへの投資

レーザー分野の多くの企業は、品質と優れたサービスで高い評価を得ています。これらの企業は何十年にもわたり、最も省エネルギーで有用なレーザーの開発に数百万ドルを投じてきました。以下は、市場に信頼できるデバイスを提供している企業の一例です。

Laser Photonics Corporation 

Laser Photonics Corporation

は 1981 年に市場に参入し、高性能産業用レーザーを提供してきました。同社はフロリダ州オーランドに拠点を置き、現在はレーザークリーニング、切断、そして防衛システムなどの製品ラインナップを展開しています。 (LASE )

Laser Photonics Corporation は堅実な経営と信頼性の高いレーザーにより業界リーダーとしての評価を確立しました。これらのデバイスはメンテナンス不要の高性能ソリューションを市場に提供します。また、同社は製品の環境安全性と持続可能性にも注力しています。

2022 年 10 月、Laser Photonics Corporation は IPO を実施し、5,500 万ドルの資金調達に成功しました。その後、同社は製品と顧客基盤を継続的に拡大しています。現在、Laser Photonics Corporation は複数の Fortune 500 企業にサービスを提供し、業界リーダーとして認識されています。

半導体リングレーザー | 結論

可変半導体レーザーの研究について語ると、期待できる点は多数あります。これらのデバイスは複数の産業を変革し、将来の電子機器のコストとサイズ削減に寄与する可能性があります。現在の製品よりも製造が容易で、コンパクトなチップサイズで広範かつ精密な波長チューニングが可能であることは、業界全体にとって大きな利点です。

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参照研究:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso, and Benedikt Schwarz, “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers,” Optica 12, 985-990 (2025)}