日本電信電話株式会社（以下、ＮＴＴ、東京都千代田区、代表取締役社長：三浦 惺）と独立行政法人 科学技術振興機構（以下、ＪＳＴ、埼玉県川口市、理事長：北澤 宏一）は、光を極小領域に強く閉じ込めることが可能な性質を持つフォトニック結晶注１）と呼ばれる人工周期構造を用いて、超小型の光スイッチ注２）を作製し、アトジュール注３）領域（アトは１兆分の１のさらに１００万分の１）の極小エネルギーでのスイッチ動作に初めて成功しました。この消費エネルギーはこれまでに報告されている光スイッチと比べて２００分の１以下の値です。従来の光スイッチは、スイッチ速度の高速化と低消費エネルギー化がトレードオフ注４）の関係にあるため、高速でかつ低エネルギーで動作させることが困難でした。今回開発した光スイッチは超小型のフォトニック結晶光ナノ共振器注５）を利用して素子のサイズを大幅に小型化し、高速でかつ極低エネルギーで動作するスイッチングを実現しています。
本成果は、２０１０年５月２日（英国時間）に英国科学雑誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ」のオンライン速報版で公開されます。
本研究は、ＮＴＴチーム（代表研究者：納富 雅也 ＮＴＴ物性科学基礎研究所 主幹研究員）がＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）の研究領域「新機能創成に向けた光・光量子科学技術」（研究総括：伊澤 達夫 東京工業大学 理事・副学長）における研究課題「フォトニックナノ構造アクティブ光機能デバイスと集積技術」（研究代表者：馬場 俊彦 横浜国立大学 大学院工学研究院 教授）の一環として行いました。
＜研究の背景と経緯＞
近年インターネットが爆発的に普及し、データセンタ、ルータなど情報処理の様々なレベルにおいて、そこで用いられている電子回路の消費電力と発熱が飛躍的に増大し、さらなる処理能力の増強が難しくなりつつあります。この問題を解決する1つの方法として、高ビットレート注６）においてエネルギー消費のより少ない光情報処理ネットワーク技術をマイクロプロセッサチップの中に導入する手段（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｏｎ Ｃｈｉｐ）が検討されています。光技術は、電気技術に比べて情報伝送のエネルギーコストが低く、超高速動作が可能、という特徴があり、既にＦＴＴＨ注７）のようなサービスに利用されていますが、この特徴は、チップの中の情報処理回路においても有効に働くと考えられているからです。
光技術をチップ内に導入するためには、小型、集積化可能で高速かつ低消費エネルギーの様々な光素子（光スイッチはその１つ）が必要となりますが、一般に光素子は電子素子に比べてサイズが大きく集積化に不向きである、という問題がありました。
ＮＴＴの物性科学基礎研究所とフォトニクス研究所（以下、ＮＴＴの研究所）では、強い光閉じ込め作用を持つフォトニック結晶を利用して、従来技術では不可能な超小型でかつ集積化可能な光共振器注５）を用いて光スイッチを作製し、アトジュール領域の極低エネルギーでのスイッチ動作を達成しました。
＜技術のポイント＞
これまでもフォトニック結晶を用いた光スイッチの初期的な研究は行われていましたが、今回の素子では、（１）スイッチングのエネルギー効率が高いInGaAsP（インジウム、ガリウム、ヒ素、リン）を採用し、（２）光共振器構造として共振器有効体積が１立方ミクロンの４０分の１の大きさの超小型フォトニック結晶ナノ共振器を用いて光スイッチを作製したために、素子の超小型化及び大幅なスイッチングエネルギー低減が可能となりました（図１）。
本素子は、４２０アトジュールのエネルギーの光制御パルスよって、信号光の透過強度を２０～４０ピコ秒（ピコは１兆分の１）の時間内２分の１に遮断するスイッチする動作（６６０アトジュールでは１０分の１に遮断）を達成しました（図２）。また、同様の素子により毎秒４０ギガビットの連続パルス列から、特定ビットを選択するスイッチ動作にも成功しました。
これまでの通常の光スイッチは１ピコジュール（１アトジュールの１００万倍）以上のエネルギーを必要としており、フォトニック結晶を用いた光スイッチでも０．１ピコジュール程度のエネルギーが必要とされていましたが、今回ＮＴＴの研究所が開発した素子は、消費エネルギーを通常素子と比べて１０００分の１以下、これまでのフォトニック結晶型素子と比べても２００分の１以下に低減し、アトジュール領域でのスイッチ動作を達成しています。
毎秒１０ギガビット（１００億回）で動作するスイッチを１チップ上に１万個集積することを考えると、消費エネルギーが１ピコジュールであれば、１万個集積した場合消費パワーが１００ワットにもなってしまいますが、本素子の場合では、１万個集積しても１００ミリワット以下で済みます。サイズだけでなく消費エネルギーの観点からも大規模集積化に向いていることがわかります（図３、４）。
マイクロプロセッサチップの中に光情報処理ネットワークを導入するためには、高速動作する光素子を１チップの中に多数個集積することが必要となりますが、その目的のためには単体素子のサイズと動作エネルギーが鍵となります。今回開発した光スイッチは、高速動作を保ったまま小型化と低エネルギー化を同時に達成しており、本格的なチップ内光集積の可能性を切り開くものです。
＜今後の展開＞
今後光共振器をさらに小型化し、光閉じ込め性能を高くすることにより、光スイッチの消費エネルギーをさらに下げることを目指すとともに、光スイッチだけでなく光メモリ、レーザ、受光器といった他の光デバイスの超小型化、低消費エネルギー化を、フォトニック結晶をベースにして進める予定です。それらの技術をもとに、小さなマイクロプロセッサチップの中に様々な機能を持った高速光素子を多数個連結して集積する技術を開発し、消費エネルギーが小さな大容量情報処理チップの実現を目指します。
＜参考図＞
図１ フォトニック結晶ナノ共振器による光スイッチの模式図
開発したフォトニック結晶による超小型光スイッチ構成図（上）。動作原理（下左）。共振器における光強度分布(下右)。制御光が入射している間だけ共振器の屈折率が変化し、共鳴波長がシフトする。その結果、信号光が遮断されスイッチ動作が実現する。
図２ 開発した素子のスイッチ動作の測定結果
信号光の透過出力強度の時間変化。制御光を入射した短い時間の間だけ、信号光が遮断されて減少しており、制御光によって信号光が高速にスイッチされていることがわかる。
図３ 様々な光スイッチの動作エネルギーとスイッチング時間の関係
本研究のスイッチは、従来スイッチに比べて１／１０００以下、これまでのフォトニック結晶スイッチに比べて１／２００以下のエネルギーで動作している。また、通常の光スイッチでは高速動作になると動作エネルギーが増大するため、ほぼエネルギーと時間の積が一定のライン上にあるが、本研究のスイッチは従来よりもこの積が１／１００に小さくなっている。
図４ 様々な光スイッチの動作エネルギーとサイズの関係
フォトニック結晶技術によって、従来の光スイッチに比べてサイズと動作エネルギーが大幅に小さくなっている。
＜用語解説＞
- 注１） フォトニック結晶
- 屈折率が光の波長と同程度の長さで周期的に変調された構造のことを指し、通常ナノ加工技術でシリコンなどの誘電体を微細加工することによって作製される。フォトニック結晶は光絶縁体として機能するため、通常の物質では不可能な強い光閉じ込めが可能となる。
- 注２） 光スイッチ
- 光信号の強度を他の光信号を用いて高速に変調する素子。光を用いた情報処理においてデジタル信号を生成したり、信号を変換したり、遮断、選択する場合に用いられる基本素子。
- 注３） ジュール
- エネルギーの単位。１ワットの電力を１秒間使用すると１ジュールのエネルギーを消費したことになる。ある動作で１アトジュールのエネルギーを消費する場合、１ワットの電力で同じ動作を１秒間に１０の１８乗回（１兆の１００万倍回）行うことができることを意味する。また、光子１個のエネルギーは０．１アトジュール（１．５ミクロン帯波長の光の場合）であり、光はこれ以上小さなエネルギーには分割できない。
- 注４） トレードオフ
- 複数の条件を同時に満たして、望ましい状態を作りだすことができないような関係。
- 注５） 光共振器・光ナノ共振器
- 光共振器とは、光を空間的に閉じ込める機能を持つ素子。通常は反射鏡で囲んで構成する。共振器を小型化しようとすると通常の反射鏡は使えなくなるため小型化は一般に困難を伴う。従来、波長の１０倍から１００倍程度の小型の光共振器は光マイクロ共振器と呼ばれていたが、閉じ込め体積が光の波長と同程度になると光ナノ共振器と呼ばれている。
- 注６） ビットレート
- １秒間に送受信できるデータ量（ビット数）を表す表現。
- 注７） ＦＴＴＨ
- “Ｆｉｂｅｒ Ｔｏ Ｔｈｅ Ｈｏｍｅ”の略。個人宅まで光ファイバを引き込む情報通信網技術。
- 注８） Ｑ値
- 共振器の閉じ込めの強さを表す指標。中心周波数を共振幅で割った量、または閉じ込め時間と中心周波数を掛けた量で求めることができる。
＜論文名＞
“Sub-femotojoule all-optical switching using a photonic crystal nanocavity”
（フォトニック結晶ナノ共振器によるフェムトジュール以下の全光スイッチング）
doi: 10.1038/nphoton.2010.89
＜お問い合わせ先＞
＜ＮＴＴ報道担当＞
飯塚 公徳（イイヅカ キミノリ）
日本電信電話株式会社 NTT先端技術総合研究所 企画部 広報担当
Tel：046-240-5157
http://www.ntt.co.jp/sclab/contact.html
＜ＪＳＴの事業に関すること＞
長田 直樹（ナガタ ナオキ）
科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究領域総合運営部
Tel：03-3512-3524 Fax：03-3222-2064
E-mail：
＜ＪＳＴ報道担当＞
科学技術振興機構 広報ポータル部
Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
E-mail：
https://www.jst.go.jp/