Optical Integrated Circuits in a Photonic Crystal

背景

光子は物質の双極子を介して相互に作用するので，全光スイッチで重要となる 効率的な光・光相互作用効果の実現は，大きな光・物質相互作用を得る問題に 帰着される．光デバイスは光波長に対して透明な物質を用いて構成したいが， こうした物質は光との相互作用係数が小さい．一見矛盾するこの二つの要求を 満たすためには，新規構造を用いて光子密度を高めて実効的に光・物質相互作 用を強めればよい．

光共振器は光子をある空間に長時間閉じこめる性質を持つため，高い光子密度 を得る最適なデバイス構造である．共振器の光の閉じこめの度合いを示す指標 としてQ値と呼ばれる量が定義されている．より高い光子密度を得るためには 共振器のサイズを小さくすればよいが，従来の光の閉じこめ手法を用いたので はQ値を高く保ったまま共振器のモード体積Vを小さくすることは難しかった． しかしフォトニックバンドギャップ(PBG)を利用した光閉じこめを用いると極 めて大きなQ/Vを得ることができる．

研究の新規性及び独創性

我々はシリコンフォトニック結晶スラブを用いて高Q値フォトニック結晶微小 光共振器を作成した．このデバイスを用いると100ピコ秒を切る速度の全光ス イッチを実現できる．さらに動作エネルギーは僅か数100フェムトジュールで ある．(ピコ=1兆分の1，フェムト=1000兆分の1)．シリコンを用いた全光スイッ チデバイスとしてはこれまでで最小の値を得た．

研究のインパクト

従来の半導体プロセスとの親和性が高いシリコン材料を用いて，微小光回路に つながる超低エネルギー動作スイッチが実現できた意義は大きい．加えて，本 デバイス中では，光は全てチップ面内を伝搬するので，微小平面光論理回路の 発展に貢献すると期待される．

動作原理

制御光を注入すると，二光子吸収キャリアによってシリコンの屈折率が変化し， その結果共振器の共鳴波長が変調する．キャリアが存在しない時に信号光が共 振器の共鳴波長に一致していた場合，信号光は共振器を透過してくることがで きる(ON状態)．キャリアが生成すると信号光の波長と共振器の共鳴波長が一致 しなくなるので，信号光が透過できなくなる(OFF状態)．共振器の共鳴波長と 信号光の波長の関係によっては，初期状態をOFF状態，制御光が入射している 時にON状態を取ることもできる．

参考文献

1. 日経ナノビジネス(2005.07.11, No. 17, p. 7-8)
2. T. Tanabe, M. Notomi, A. Shinya, S. Mitsugi, and E. Kuramochi, "All-optical switches on silicon chip realized using photonic crystal nanocavitites," Appl. Phys. Lett. (submitted for publication).