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掲載日：2015年3月25日
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東京工業大学量子ナノエレクトロニクス研究センターの雨宮智宏助教と荒井滋久教授、理化学研究所の
田中拓男准主任研究員、岡山大学自然科学研究科の石川篤助教らの共同研究グループは、InP系光通信
プラットフォームに"透磁率"の概念を導入することに成功したと発表した。
具体的には、InP系マッハツェンダー光変調器をベースとして、デバイス内部に特殊なメタマテリアルを
実装。電圧印加に伴う透磁率の変化を利用して、透過光の強度を変調することに成功し、デバイスの小型化が
可能であることを示した。
キーとなる主な成果はトライゲート(Tri-gate)メタマテリアルとメタマテリアル集積型マッハツェンダー変調器の
2つ。ナノスケールの金属構造で構成されたメタマテリアルに3次元トランジスタの技術を組み合わせることで、
光周波数帯において電圧印加による透磁率の制御を可能とした。
トライゲートメタマテリアルは、InP系化合物半導体上に浅い溝を掘り、その内部にナノスケールの金属構造を
作りこむことで、電圧制御が可能な特殊なメタマテリアルの開発に成功。同構造では、上部から電圧を印加することで、
半導体内のキャリア密度を変化させることができ、それに伴って金属微細構造の応答(=メタマテリアルの特性)に
変化が生じる(キャリア発現の原理は3次元トランジスタと同一)。これにより、電圧印加の有無によって、透磁率の
値を制御できることになる。
また、メタマテリアル集積型マッハツェンダー変調器は、トライゲートメタマテリアルの技術を光通信デバイスへ
実装することで、「透磁率制御によるメタマテリアル装荷型変調器」を実現。同素子は、マッハツェンダー干渉器の
各アームにトライゲートメタマテリアルが一列に埋め込まれた構造となっており、素子上部から電圧をかけ、
アーム部の透磁率を変化させることで強度変調を行う。
透磁率を制御することで、本来、屈折率の可変幅が狭いInP系デバイス内において大きな屈折率変化を持たせる
ことが可能となり、200μmのデバイス長において約7.0dBの変調特性を得ることに成功した。誘電率と透磁率を
両方使うことにより、さらなる高性能化を図ることができ、将来は、実用化されている既存デバイスと同じ性能を
維持しながらサイズを1/100程度まで小型化できることが予想される。
今回の研究はレーザー・変調器をはじめとするInP系光通信プラットフォームで透磁率の概念を導入したことに
特徴がある。光変調器に限らず、InP系光デバイスに広く利用できるため、さまざまなデバイスの小型化・高性能化・
特殊動作化に寄与するものと期待される。
なお、同研究成果は3月23日に、英国科学誌Nature姉妹誌のオンラインジャーナル「Scientific Reports」に掲載された。
<画像>
電圧制御が可能なトライゲートメタマテリアル
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メタマテリアルを実装した光変調器
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<参照>
光通信デバイスに“透磁率”の概念を導入-メタマテリアルを実装した光変調器開発に成功- - 国立大学法人 岡山大学
URLﾘﾝｸ(www.okayama-u.ac.jp)
Permeability-controlled optical modulator with Tri-gate metamaterial: control of permeability on
InP-based photonic integration platform : Scientific Reports : Nature Publishing Group
URLﾘﾝｸ(www.nature.com)