慶大,高性能グラフェンヒーター光スイッチを開発

慶應義塾大学は,原子オーダーで薄い炭素材料であるグラフェンを用いたマイクロヒーターをシリコンフォトニクスと融合することにより,高性能なシリコンチップ上光スイッチを実現した(ニュースリリース)。

光通信においては様々な方式の光スイッチが開発されているが,シリコンチップ上に集積した光導波路を用いた光スイッチが注目されている。

この方式では,ヒーターによる加熱によって屈折率を変化させる熱光学効果で動作する光スイッチが主流となっているが,現在の金属によるヒーターでは,スイッチ速度や効率といった性能向上の限界が課題となっていた。

今回研究グループは,金属ヒーターに代わってグラフェンを用いることで,シリコンフォトニクス素子上にダイレクトに形成し,高速で動作する光スイッチを開発した。グラフェンは優れた熱特性を有し,研究グループも,最高でGHzオーダーの超高速な温度変調が可能だと明らかにしている。

研究では,グラフェンの優れた熱特性をマイクロヒーターとして応用することで,金属ヒーターよりも高速な光スイッチを開発した。シリコン基板上において,レーストラック型共振器に対して2つの導波路を形成した光スイッチ素子を設計し,シリコン共振器上にダイレクトにグラフェン素子を形成した。

このグラフェン素子に電圧を印加して共振器をジュール加熱することで,共振器の屈折率を熱光学効果で変調し,共振器内への光の結合の有無を電気的に制御することで,透過光出射と分岐光出射を選択可能な光スイッチ動作を実現した。

また,実際に,リアルタイムでの高速光スイッチ動作を行ない,100kHzでの動作を確認するとともに,その立上がり,立下り時間がそれぞれ1.2,3.6マイクロ秒という高速なスイッチングが可能であることを実証した。

このスイッチ速度は,同じ機構の金属ヒーター光スイッチと比べて数~数十倍高速であり,金属をグラフェンに置き換えるだけで大幅に特性が向上可能であることを示すもの。さらに,この高速動作のメカニズムをデバイスの熱伝導シミュレーションによって解析し,グラフェンの優れた熱伝導特性に起因する高速動作であることを理論的に示した。

今回のグラフェンによる高速な光スイッチ技術は,次世代の大容量光通信向けチップとしての応用が可能。さらに,シリコンフォトニクスは次世代光技術,さらには量子情報チップなど,様々な応用が検討されている。

こうしたナノカーボン材料は,シリコンチップ上の新たな光デバイス応用も報告されており,研究グループは,ナノカーボン集積光デバイスの実現も期待されるとしている。

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