カリフォルニア工科大学 (Caltech) の研究者らは最近、大きな技術的進歩を発表しました。彼らは、シリコンウェーハ上での光信号伝送の極めて低い損失を実現できる新技術の開発に成功し、その性能は可視光帯域において従来の光ファイバーのレベルにさえ近づきました。
この成果は、フォトニック集積回路 (PIC) 分野における重要な一歩となり、優れたコヒーレンスと極めて低いエネルギー損失を備えた新世代の光電子デバイスの開発への道を切り開きます。この研究は、光ファイバー材料を使用してチップ上に直接光路を構築する方法を詳しく説明しており、関連する論文は雑誌「Nature」に掲載されています。
光ファイバーは、非常に高純度のガラス素材と原子的に滑らかな表面を備え、極めて低い損失で大量のデータを送信できるため、長い間、世界的な通信ネットワークの基礎となってきました。カリフォルニア工科大学の応用物理学および情報科学技術の教授であるケリー・バハラ氏が率いるチームは、この光ファイバーの製造プロセスをコンピューターチップの製造に使用されるシリコンウェーハに「移植」することに取り組んでいる。研究チームは光ファイバーと同じゲルマノケイ酸ガラス材料を使用し、フォトリソグラフィー技術を利用してチップ上に「導波路」と呼ばれる光伝送路を構築した。微細スケールでの表面粗さの問題を解決するために、研究者らは革新的なプロセスを導入した。それは、チップを高温炉に入れて「リフロー」処理することで、導波路の表面を溶かして原子レベルまで平滑にするというものである。この処理により、光散乱損失が大幅に抑制され、可視光帯域でのフォトニック集積回路の開発を長年制限してきた主要なボトルネックが解決されます。
テスト結果は、近赤外帯域におけるこの新しいチップの性能が現在の最先端の窒化シリコン技術と同等である一方、可視光帯域ではその性能が質的飛躍を達成し、損失が窒化シリコンの記録の20分の1に低減されたことを示しています。この超低損失特性はデバイスの性能に大きな影響を与えます。たとえば、この技術を使用して構築されたレーザーは、既存のバージョンよりも 100 倍以上長い光コヒーレンス時間を備えています。研究論文の筆頭著者でカリフォルニア工科大学博士研究員でもあるハオジン・チェン氏は、このプラットフォームの波長範囲の拡大により多くの重要な原子操作がサポートされ、チップスケールの原子センサー、光時計、イオントラップシステムの実装が可能になると指摘した。
チップの大きさはわずか約2センチメートルですが、内部の光路設計はスパイラル構造を採用しており、狭い空間での光の伝播距離を大幅に伸ばします。大学院生のケラン・コルバーン氏は、リング共振器などの主要な光学部品では、光が部品内を循環する距離が長いほど損失が少なくなり、デバイスの性能が向上すると説明した。損失が 10 倍減少するごとに、コヒーレンスは 100 倍向上します。この技術は、「スイス・アーミー・ナイフ」のように汎用性が高く、高精度のタイミング、回転計測（ジャイロスコープ）から量子コンピューティング、センシングまでの分野で幅広く活用できるだけでなく、データセンター・サーバー・インフラ全体のエネルギー消費量の削減にも大きな意義があります。研究チームは、現在の結果はまだ最終目標には到達していないと述べたが、過去5年間の大幅な進歩により、将来のフォトニクス技術応用のための明確な青写真が描かれた。