原子が刻む光の振動を、電子回路で数えられる信号へつなぐ。その橋渡しを担うのが、等間隔に並んだ多数の色の光を出す「光周波数コム」です。NISTとメリーランド大学などの研究チームは、窒化ケイ素で作った小さなリングに二つのレーザーを入れ、その間に広がる光の目盛りが自ら揃う仕組みを示しました。
論文は2026年9月30日にNatureへ公開され、NISTは10月16日に成果を紹介しました。光源を小型化するだけでなく、同じ仕組みを光の周波数測定や原子時計の読み出しへつないだ研究です。ただし、時計全体を一つのチップに収めた実証ではありません。
簡単にまとめると？
- ほぼ2倍の周波数関係にある二つのレーザーの間に光の列を作り、列同士の周波数のずれをチップ内で揃えます。
- マイクロ波から光、光から低雑音の高周波信号への変換と、ルビジウム原子時計の読み出しを試しました。
- 「自ら揃う」のは光の列同士の関係です。外部の基準光源や、信号を数えられる周波数へ下げる装置は残ります。
光の目盛りは、間隔と原点の両方で決まる
光周波数コムの「コム」は櫛を意味します。光を周波数ごとに分けて見ると、櫛の歯のような細い線が等間隔に並ぶためです。隣り合う歯の間隔は繰り返し周波数と呼ばれ、列全体の位置はオフセット周波数で決まります。物差しに置き換えれば、目盛りの間隔とゼロの位置に相当します。
目盛りの間隔が同じでも、ゼロの位置が少しずれた物差しを重ねれば、線は一致しません。複数の光の列を一つのコムとして使う場合も、間隔だけでなく、このずれを揃える必要があります。
従来の小型コムには、一つのレーザーを起点に周波数の広がりを作るものがあります。その広がりが1オクターブ、つまり周波数が2倍になる範囲に達すると、低い側の光を2倍の周波数へ変換し、高い側と比べてオフセットを測れます。ただし、端の歯が弱かったり雑音が大きかったりすると、その読み出しは難しくなります。
二つの入力光の間に生まれるパルス
今回の研究では、ほぼ2倍の周波数関係にある二つのレーザーを先に用意しました。代表的な実験の入力は約193.55THzと387.31THzです。THzは1秒間に1兆回の振動を表し、ここでは光の周波数を示しています。
光を閉じ込める窒化ケイ素のリングには、光が強くなると屈折率が変わるカー非線形性があります。この作用と、光が進む速度の周波数による違いを組み合わせ、二つの入力の間にパラメトリック駆動キャビティソリトン（PDCS）を作ります。これは、共振器の中で形を保って周回する短い光パルスです。
この段階では、低周波側の入力に由来する列、中央のPDCSの列、高周波側の入力に由来する列の三つができます。歯の間隔は同じでも、各列のオフセットは一致するとは限りません。研究チームは、リング内の光の相互作用によって列同士のオフセット差がゼロになる領域を実現しました。論文が「self-aligned」と呼ぶのは、この状態です。
こうして二つの入力レーザーも、一本につながったコムの歯になります。入力光は強いため、低い側の周波数を2倍にして高い側との差を測る操作を、チップへ入る前に行えます。広げたコムの弱い端から信号を取り出す負担を減らせる点が、この構成の特徴です。一方、絶対的な周波数を決めるには外部の基準が必要であり、レーザーの安定化まで不要になるわけではありません。
帯域の広さを、三つの測定に生かす
実験では約220THzの帯域に歯が並び、測定した各歯の光パワーが1nWを上回ると報告しています。ある色の光を基準に別の色を測るには、必要な位置に歯があるだけでなく、検出できる強さも必要です。広い帯域と歯の強さは、用途を考える際に合わせて見る条件です。
研究チームは入力光やコムをどの基準へ固定するかを変え、次の三つの使い方を確かめました。どれも同じ原理を使いますが、基準の種類と出力の意味は異なります。
| 試した使い方 | 基準とするもの | 確かめる役割 |
|---|---|---|
| マイクロ波から光へ | ルビジウム基準の10MHz信号 | コムの間隔とオフセットを固定し、光の周波数へ関係を移す |
| 光からミリ波へ | 基準共振器に固定した安定なレーザー | 光の周波数を分周し、位相の揺らぎが小さい高周波信号を取り出す |
| 光原子時計の読み出し | ルビジウム87の二光子遷移 | 原子に合わせたレーザーの振動を、コムを介して数える |
たとえば基準共振器は短い時間の光の揺らぎを抑えるのに役立ちますが、共振器自体には長い時間でのドリフトがあります。原子の遷移に合わせる方式は長期的な基準になりますが、今回の蛍光信号による制御では短時間の雑音がより大きくなりました。「安定した信号」と書かれていても、どの時間幅の揺らぎを評価したかで比較は変わります。
時計を読めることと、時計の誤差をなくすこと
原子時計の実験では、PDCSを使う読み出しと、別のファイバー光周波数コムを使う読み出しを比べました。75分の測定で得た光周波数の平均値の差は約3kHzで、PDCS側の測定値の標準偏差である26kHzより小さくなっています。これは、二つの読み出しがその測定のばらつきの範囲で整合した結果です。
一方、どちらの平均値も、比較に使った既知の原子遷移周波数から約90kHz低い側にありました。論文は、原子を入れたセルの密度や温度のむらなどに伴う系統的なずれを挙げています。コムが周波数を正しく結び付けても、基準となる原子の測定条件によるずれまで消せるわけではありません。
このため、読み出し同士の一致を、そのまま時計全体の絶対的な正確さの記録と受け取ることはできません。比較するときは、コムによる変換の雑音、基準光の安定度、原子セルが生む系統誤差を分けると、改善した場所と残る課題が見えてきます。
持ち運べる装置に向けて、何が小さくなったのか
光を作るリングはチップ上にありますが、測定系には入力レーザーや周波数を固定する装置などが残っています。また、コムの歯の間隔は約737GHzと大きく、通常の電子回路で直接数えるには扱いづらい値です。今回も電気光学変調による別のコムを使い、検出できる周波数へ下げています。
100mm径のウエハーから選んだ10個の素子でPDCSの動作を確認した点は、設計を複数の素子へ展開するうえで前進です。ただし、これはウエハー上の全素子が動いたという歩留まりの証明ではありません。屋外や移動中の車両で時計を動かした実験も含まれていません。
今回の価値は、広帯域のコムを小さな素子で作り、測定に使える一つの周波数の列へ揃える方法を、複数の用途で示したことにあります。携帯型の時計として評価する次の段階では、光源だけでなく、基準、検出、温度制御を含めた装置全体の大きさや消費電力、環境変化への強さが判断材料になります。
出典
- G. Moilleら「Self-aligned optical microcomb emerging between octave-separated lasers」、Nature、2026年9月30日公開。原論文。
- NISTによる紹介、2026年10月16日公開。
- Joint Quantum Instituteによる紹介、2026年10月5日公開。
