集積回路の低消費エネルギー化に向けたナノメカニカル光素子の開発

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本研究課題の目的は, 光電子融合回路内において低消費電力で光特性の動的制御が可能な光機能素子を実現することである. 当該年度の主な成果を以下に示す.Mie共振とは高屈折率誘電体内に励起される光共振現象である. 大きさが100nm程度の共振器で光を自在にコントロールできるため, 超小型/低消費エネルギーで動作可能な次世代のナノ光素子として期待が高まっている. しかし, これら共振器は一度構造を作製してしまうとその光特性は固定され, 低消費電力でアクティブな光特性を付与することは困難である.そこで金属ー誘電体相転移材料であるVO2に着目した. VO2を光共振器の材料として使用することで, その光特性を大きく変化させることが可能である. また, 相転移に必要な温度変化は5℃程度であり, 三次元ナノ構造すれば, 原理的には数十～数百aJオーダーのエネルギーで光特性の変調が可能である. したがって提案する材料自体を光共振器として使用することで, 低消費エネルギーで動作可能な光機能素子の実現が可能であると考えられる. そこでVO2を用いた光共振器特性の可逆制御の実現を目標とした.実際に円柱状のVO2ナノ構造を作製し, 赤外域における反射スペクトルを測定したところ, 反射率は25℃と75℃で顕著に変化した. 特定の大きさにすれば, 通信波長帯に近い波長1.6μmにおける反射率は85%も変化した.以上のように本研究ではVO2をナノ構造化することで光共振器を形成し, 低消費電力で動作可能な共振器の動的制御を実証した. 今後例えばレーザー加熱による相転移ナノ構造の制御が可能になれば, 全光スイッチングやモジュレーターなどの本格的なデバイス応用が現実味を帯びてくる. 本研究の成果は, 電子光集積回路の実現をさらに加速させるだろう.