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2008年04月24日

低消費エネルギー・超小型の光ビットメモリを開発

- フォトニック結晶でメモリ時間150ナノ秒を達成、集積化に道 -

NTT物性科学基礎研究所はNTTフォトニクス研究所と共同で、独立行政法人情報通信研究機構の委託を受け、フォトニック結晶と呼ばれる微細な人工周期構造を用いた光ビットメモリの開発に成功し、最長150ナノ秒(当社従来比60倍)のメモリ持続時間を達成しました。今回、InGaAsPを材料として用いたフォトニック結晶の採用により、メモリ保持に必要なバイアス光のパワーが最低値40μWと従来の半導体レーザの光双安定動作を用いた光メモリに比べ約2桁低減、低消費エネルギー動作を実現しました。
本メモリは、超小型で集積化が可能であり、低光パワーで動作することから実用的な光メモリ実現に道を拓き、デジタル情報を電気信号に変換することなく光のまま伝送・処理する全光情報処理により、消費電力や処理速度など電子機器に起因する現在のネットワークの限界を超える可能性を示すものとして注目されます。本成果は、5月4日より米国サンノゼで開催される国際会議Conference on Lasers and Electro-Optics(レーザ・電気光学国際会議)にて発表される予定です。

ニュースリリース
フォトニックナノ構造研究グループ

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開発した光メモリのベースとなるフォトニック結晶は、厚さ200 nm(ナノメートル、ナノは10億分の1)の半導体結晶に直径200 nmの空気穴を420 nmの周期で三角格子状に配置した構造をしています。その中の一列、穴のない直線状の領域が導波路として働き、その両脇の穴の位置を数nmシフトさせてわずかに幅を広げた領域がメモリの心臓部である共振器として働きます。 InGaAsPは従来用いられていたシリコンに比べ光非線形性が大きく光メモリには有利ですが、シリコンに比べ加工が難しく、これまでは高効率で光を閉じ込めることのできる高性能のフォトニック結晶は作製が困難でした。今回NTTが作製したフォトニック結晶共振器は、光閉じ込めの強さの指標となるQ値が最大13万と、InGaAsP系フォトニック結晶としてこれまでで最高の値を示しています。このInGaAsPの大きな光非線形性と高性能共振器の実現により低消費エネルギーの光メモリ動作を達成することができました。

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バイアス光を入力した状態での出力光強度をメモリのビット情報として読み取ります。初期状態はバイアス光の波長が共振器の共振波長からわずかにずれて出力光強度がローレベルになっている状態で、これをメモリのOFF状態とします(図の黒線)。この状態からビット情報書き込み用の制御光パルス(パルス幅100ピコ秒。ピコは1兆分の1)を加えると共振器内の屈折率が変化し、共振波長がバイアス光の波長に一致するため透過率が増加して出力がハイレベル、すなわちメモリON状態に変わります(図の赤線)。制御光パルス信号が消えた後もON状態は継続し、書き込んだビット情報が正しく記憶されています。消去用のパルスによってOFF状態に戻して情報を消去することもできます。本素子のメモリ持続時間は最長150 ns(ナノ秒)であり、材料にシリコンを用いた場合(2.5ns)と比べ60倍長くなっており、光RAMの動作が可能なレベルとなっています。さらに、メモリ状態を持続させるのに必要なバイアス光パワーは最低値で40 μWと、従来の双安定レーザ型光メモリの消費パワー(数mW程度)と比べると2桁近く低いパワーで動作することが示されました。