量子光物性研究部
誘電率の周期構造であるフォトニック結晶を用いると、強い光閉じ込め効果をもつ(High-Q)微小光共振器を作成できる[1]。High-Q微小共振器中では極めて高い光子密度が得られるため光・物質相互作用に基づく効率的な光・光変調の実現が期待される。シリコンを基盤とする微小光回路は既存の電子デバイスとの親和性とも相まって大きな可能性を秘めている。しかし、その実現に必要とされるアクティブ全光素子には、超低エネルギーで動作すること、高速動作すること、高スイッチングコントラストであること、微小サイズであること、面内で連結可能であること、等が求められるがこれらの要件を同時に満たすことは難しく、そのようなシリコンデバイスはこれまで存在しなかった。そこで我々は、低動作エネルギーで高速な全光スイッチングをシリコン基板上のフォトニック結晶High-Q微小共振器を用いて実現した[図1(上)]。
本デバイスは線形動作条件下では図1(下)のような共鳴透過スペクトルを持つが、近赤外光のエネルギーが多光子吸収を介して熱に変換されると、シリコンの屈折率が変調されるため微小共振器の中心透過波長がシフトする。この現象を用いると数pJ
(pico=10-12)の、超低エネルギーで動作する全光スイッチが実現できる[2]。更なる低エネルギー化及び高速化を求めるためには、キャリアプラズマ効果による屈折率変調を用いればよい。図2に示すようにキャリアプラズマ効果を用いた光スイッチングは数10
fJ (femto=10-15)の実効エネルギーでで動作し速度は100 psを切るものであった[3]。この図の例では、Mode Cの波長の制御光パルスを用いて、Mode
Sからわずかに短波長側にずらした波長の連続光を変調している。シリコン全光高速アクティブデバイスにおいて、これまでに報告されたことの無い微小な動作エネルギー及び素子サイズが実現できたのはHigh-Q及び導波路との効率的な結合の双方が我々のフォトニック結晶微小共振器において同時に達成できたからである[2]。
今回の微小光スイッチデバイスの実現は、シリコンフォトニクスの新たな展望、すなわちシリコンフォトニック結晶を基盤とする高速・低パワー・高密度な光論理回路の応用への可能性を開く。
[1] M. Notomi et al., Opt. Express 12 (2004) 1551.
[2] M. Notomi et al., Opt. Express 13 (2005) 2678.
[3] T. Tanabe et al., CLEO/QELS2005,QDPA5, Baltimore (2005). .
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| 図１ (上)シリコンフォトニック結晶共振器の電子顕微鏡像 (下)線形透過スペクトル |
図2 観測された信号光のスイッチング動作の制御光エネルギー依存性 |