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グラフェンと光ナノ導波路で超高速・低消費エネルギーの全光スイッチングを実現 ~超高速な光情報処理集積回路へ向けて前進~

 日本電信電話株式会社(NTT)と国立大学法人東京工業大学(東工大)は2019年11月26日,NTTと東工大の共同研究グループが,ピコ秒(1兆分の1秒)以下の超高速領域で動作する全光スイッチを世界最小の消費エネルギーで実現したことを発表した.従来の全光スイッチ技術では,超高速性と低消費エネルギーを両立させることは困難であると考えられてきたが,プラズモニック導波路と呼ばれる超小型光導波路に,非線形光学材料のグラフェンを組み合わせることによって,超高速かつ低消費エネルギーで動作する全光スイッチを実現したものである.本成果は,英国科学誌Nature Photonicsのオンライン版で公開された(注).なお,本研究の一部は,独立行政法人日本学術振興会 科学研究費助成金の助成を受けて行われた.

 将来の光情報処理集積回路における重要な素子の一つ光スイッチについては,その制御を電気で行う方法と光で行う方法がある.電気制御の場合,回路のRC時定数で決まる遅延があるが,光制御の場合は,全て光で行うため,電気制御より高速に動作することが期待できる.しかし,従来の全光スイッチは,比較的大きなエネルギー(~10pJ)を必要としスイッチング時間(~10ps)の短縮と消費エネルギーの削減とを同時に達成することは困難で,両者の間には越えられないトレードオフが存在するものと想定されてきた.これに対し,NTTでは2010年にフォトニック結晶共振器を用いて,従来のトレードオフを打ち破る超低消費エネルギーで動作する全光スイッチ(~1pJ,~30ps)を実現することに成功した.しかし,電気制御では到達不可能なピコ秒以下の超高速スイッチングの領域では依然としてトレードオフを破ることはできない状態が継続していた.

 研究グループが,従来のトレードオフを打破する低エネルギー化を目指した全光スイッチの構造は,SiO2(二酸化シリコン)基板表面上の厚さ20nmのAu(金)薄膜層にプラズモニック導波路となる幅30nmの溝を設け,その表面をフラフェン層で覆ったものである.このプラズモニック導波路の両端には入力と出力のプラズモニック変換器がシリコン導波路で形成されている.

 スイッチング速度の鍵を握る非線形光学材料として,グラフェンは非常に高速な非線形光学応答を示すとともに広い波長域で高い吸収係数を有する優れた材料である.ただ,厚さが単原子層分しかないため,効率的に光と相互作用させることが難しく,素子長を長くすると,エネルギー消費が大きくなる.本研究ではプラズモニック導波路を用いて光をナノサイズの領域に強く閉じ込めることにより,グラフェンと光の相互作用を飛躍的に増強し,この問題を解決した.制御光がグラフェンにおける非線形光学効果を引き起こし,光吸収の度合を変化させることにより,信号光のON/OFF状態が制御される.35fJという光エネルギーで260fsのスイッチング時間が実現され,従来のグラフェンを用いた光スイッチング素子に比べて動作速度が1桁,消費エネルギーが4桁改善されている.世界で初めてフェムト秒領域の応答時間でかつフェムトジュール領域の消費エネルギーで動作するスイッチを実現したことになる.引き続き,プロセッサチップ内に光のネットワークを導入し,速度や消費エネルギーの限界を打破することに取り組んでいるとのことである.

(注)M. Ono, M. Hata, M. Tsunekawa, K. Nozaki, H. Sumikura, H. Chiba and M. Notomi, "Ultrafast and energy-efficient all-optical switching with graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic wave-guides", Nature Photonics (2019),る DOI: 10.1038/s41566-019-0547-7; Published: 25 November 2019.