横国大ら,人工次元フォトニクスをオンチップ実証

横浜国立大学,東北大学,慶應義塾大学,東京大学は「人工次元」と呼ばれる周波数列のユニークな光学現象を,世界標準的な光集積プラットフォーム「シリコンフォトニクス」を用いて初めて実証することに成功した(ニュースリリース)。

トポロジカル絶縁体は,絶縁体の表面にのみ特徴的な電流が流れる物質であり,これに関する研究成果はノーベル賞を受賞している。

この概念を拡張したトポロジカルフォトニクスは注目を集めており,空間のみならず,周波数を次元として用いたトポロジカル構造を作る方法が提案され,光を用いた人工次元の形成がさらなる話題を提供している。

ただし,これまでの実験は光ファイバを組み合わせた大型な装置を用いていたため,純粋物理の原理実験に留まっていて,応用を議論できるような状況ではなかった。

そこで研究グループは,シリコン半導体の基盤技術であるCMOSプロセスを用い,シリコンフォトニクスで製作した光変調器を内蔵したリング状の光学共振器をチップ上に形成した。

さらに,リング共振器に高周波電圧を加えて電気光学的に変調し,そのときの変調周波数や位相を操作して電場や磁場を模擬した作用を実現し,周波数方向の光の振る舞いを自由に操ることに成功した。この研究は初めてオンチップの実験装置を組み上げて効果を実証することに成功したものとなる。

トポロジカルフォトニクスでは,素子の表面にのみ光が伝搬し,条件によっては一方向にのみ光が伝わったり,構造の一部が不完全であっても光損失が生じなかったりと,従来にない機能や安定性が得られる。これにより,例えば戻り光の影響を受けない極めて安定性の高いレーザー,および歩留まりの高い生産が可能になるかもしれないという。

また,光集積回路内の不要な光ノイズが減少し,これまでは不可能だった大規模光集積回路も可能になるかもしれないとする。周波数人工次元では,これまで難しかった超高周波の光変調や,高性能な光フィルタを実現する可能性がある。

研究グループは,これらが現在,研究開発が進む次世代ネットワーク用の光電子融合回路の基盤技術になり,さらに,現在,1次元にとどまっている周波数軸を2次元に拡張できれば,本格的なトポロジカルフォトニクス現象を観測できる可能性を示唆するものだとしている。

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