超小型・低消費電力可視光変調器が新業界標準を確立

過去数十年にわたり、研究者たちは電流の利用から近赤外領域の光波操作へと移行し、高速5Gネットワーク、チップ上のバイオセンサー、自動運転車などの通信用途に活用してきました。この研究分野は集積フォトニクスとして知られ、急速に進化しており、現在ではより短い波長——可視光——領域を探索し、多様な新興アプリケーションを開発しています。これらには、チップスケールLiDAR、AR/VR/MRゴーグル、ホログラフィックディスプレイ、量子情報処理チップ、脳への埋め込み型光遺伝学プローブなどが含まれます。

これらすべての可視光領域アプリケーションに不可欠なデバイスが光位相変調器です。これは光波の位相を制御し、無線コンピュータネットワークで電波の位相が変調されるのと同様の働きをします。位相変調器を用いると、光を異なる波導ポートへ導くチップ上の光スイッチを構築できます。これらの光スイッチの大規模ネットワークにより、微小チップ上で光の伝播を制御する高度な集積光学システムを作れます。

しかし、可視光領域の位相変調器を作るのは非常に困難です。可視スペクトルで十分透明でありながら、熱光学的または電気光学的効果で大きなチューナビリティを提供する材料が存在しないからです。現在、最も適した2材料は窒化シリコンとニオブ酸リチウムです。

両者とも可視領域で高い透明性を持ちますが、どちらも十分なチューナビリティを提供しません。これらの材料ベースの可視光位相変調器は、個々の波導ベース変調器の長さが数百マイクロメートルから数ミリメートルに及び、位相調整に数十ミリワットを消費するため、大型かつ電力消費が大きいです。数千デバイスを単一マイクロチップに埋め込む大規模集積を目指す研究者たちは、これらのかさばるエネルギー消費デバイスによって阻まれてきました。

コロンビア工学の研究者たちは、マイクロリング共振器に基づく方法でこの問題を解決しました。可視光スペクトル位相変調器のサイズと消費電力を劇的に削減し、1ミリメートルから10マイクロメートルへ、π位相調整で数十ミリワットから1ミリワット未満へと減らしました。

光共振器はリングのような高い対称性を持つ構造で、光ビームを何度も循環させ、微小な屈折率変化を大きな位相変調に変換できます。共振器は異なる条件下で動作するため、慎重に使用する必要があります。例えば、「アンダーカップリング」または「クリティカルカップリング」領域で動作させると、共振器は限定的な位相変調しか提供せず、より問題なのは光信号に大きな振幅変動を導入することです。後者は、個々の位相変調器からの適度な損失の蓄積が、十分な出力信号を持つ回路へのカスケード接続を妨げるため、極めて望ましくない光損失です。

完全な2π位相調整と最小振幅変動を達成するため、研究チームはマイクロリングを「ストロングリーオーバーカップリング」領域で動作させることを選択しました。これは、マイクロリングと光をリングに供給する「バス」波導の結合強度が、マイクロリングの損失（主にデバイス側壁のナノスケール粗さによる光散乱）の少なくとも10倍強い条件です。

チームはデバイスをストロングリーオーバーカップリング領域へ押し込むいくつかの戦略を開発しました。最も重要なのは、アディアバティックマイクロリング形状の発明です。リングが狭い首と広い腹の間で滑らかに移行し、それらはリングの対向する端に位置します。リングの狭い首はバス波導とマイクロリング間の光交換を促進し、結合強度を高めます。リングの広い腹は、ガイド光が広がった部分の外側側壁のみと相互作用し、内側側壁とは相互作用しないため、側壁粗さでの光散乱を大幅に減らし、光損失を低減します。

同じチップ上で並行して作製されたアディアバティックマイクロリングと均一幅の従来型マイクロリングの比較研究では、従来型マイクロリングのどれもストロングオーバーカップリング条件を満たさず、実際には非常に悪い光損失に見舞われたのに対し、アディアバティックマイクロリングの63%がストロングリーオーバーカップリング領域で動作し続けました。

彼らの最高性能位相変調器は、可視スペクトルで最も難しい青と緑の波長で動作し、半径わずか5マイクロメートル、π位相調整で0.8mWの消費電力、振幅変動10%未満を達成しました。研究者たちによると、可視波長でこれほどコンパクト、電力効率が良く、低損失な位相変調器を実証した先行研究はありません。

研究者たちは、電子デバイスの集積度にはまだ遠く及ばないものの、フォトニックスイッチと電子スイッチのギャップを大幅に縮めたと指摘します。「従来の変調器技術では、与えられたチップ面積と電力予算で100個の波導位相変調器の集積が限界でしたが、今では100倍良くなり、1万個の位相シフターをチップ上に集積し、はるかに高度な機能を実現できます」とナファン・ユー教授は述べています。

研究者たちは現在、アディアバティックマイクロリングベースの大規模2D位相シフターアレイで構成される可視光LiDARの実証に取り組んでいます。可視スペクトル熱光学デバイスで採用された設計戦略は、電気光学変調器にも適用し、フットプリントと駆動電圧を削減でき、他のスペクトル領域（紫外、通信用、中赤外、テラヘルツ）やマイクロリング以外の共振器設計にも適応可能です。