最先端のミリ波発生をオンチップで実現
アブストラクト
フーリエ周波数が1kHz以上の300GHz帯で、アト秒レベルのタイミングノイズを初めて測定しました。300GHzの信号は、低雑音の刺激ブリルアン散乱過程、散逸的なカー・ソリトン・コム、および光-電気変換の組み合わせによって生成されます。
背景
無線ネットワークの記録的なデータレート、自律走行車、宇宙放射線のイメージング、素粒子物理学の加速器などは、マイクロ波と赤外光の間（100GHz～数テラヘルツ）に位置する新しいクラスのミリ波発振器の出現によって促進されるアプリケーションの一つである。この出現は、これらの発振器をいかに効率的かつ高性能に、できれば大量生産可能な形で実装できるかにかかっている。IMRA America, Inc.の研究者グループは、これまでRFやマイクロ波技術に支配されていたスペクトル純度の限界を解き放ちました。ここでは、300GHzのミリ波を初めて光信号で参照し、マイクロ波での参照の制約を克服しました。この新しい発振器の核心は、シリコン・ニトリッジ・チップベースのマイクロリゾネーターから生成される散逸的なカー・ソリトン・コムの発生にあります。
図1：新型ミリ波発振器を構成する主要ブロックの概念図。
どのように機能し、どこにつながるのか
この新しいコンセプトは、図1に示されています。ノイズの多い2つのダイオードレーザーは、ファイバーリング共振器の刺激されたブリルアン散乱によってスペクトルが純化され、空間的にオーバーラップしている場合には、光学的に搬送された調整可能なマルチテラヘルツ基準を提供します。2つの自由度を持つ オンチップ 窒化珪素製の300GHzソリトン型マイクロコームがこのデュアルライト上で参照されると、光周波数分割の影響でソリトン型マイクロコームのフリーランノイズが強く低減され、その位相ノイズがN倍（マルチテラヘルツ参照とソリトン型マイクロコームの繰り返し周波数の間の除数に相当、すなわちN=3.6テラヘルツ/300GHz=12）に緩和されます。マルチテラヘルツの基準に合わせた光パルス列からなるソリトン・マイクロコームの出力が超高速感光素子に照射されると、光パルス列は導波路またはアンテナを介して自由空間に放出される300GHzの放射に変換されます。この光電子部品の組み合わせにより、フーリエ周波数が1kHzと低く、アト秒レベルのノイズフロアを持つ300GHzの記録的なスペクトル純度を実現しました（図2参照）。
この周波数帯でのこのレベルのノイズはこれまでにないものであり、この前例のないノイズレベルを特徴づける独自の方法もIMRAの研究者たちによってこの作品で報告されています。このミリ波発振器は、ノイズ性能の点で、CMOS技術を用いたマイクロ波領域の発振器をはるかに凌駕していることは注目に値します。
この非常にコンパクトな（今後の努力によってはチップスケールになる可能性もある）300GHzミリ波発振器は、将来の5Gおよび6G無線ネットワークの展開、車両通信、基礎科学など、多くの民生アプリケーションに影響を与えることができます。
参考資料
T.Tetsumoto et al. "Optically reference 300 GHz millimeter-wave oscillator", Nature Photonics 2021
https://www.nature.com/articles/s41566-021-00790-2
