NTTは2019年11月26日、東京工業大学と共同で光だけで動作する「全光スイッチ」を開発した。特徴は、(1)光が通る導波路の断面積を従来の1/100以下と極めてコンパクトにできたこと、(2)スイッチの動作速度は100フェムト(f)~数百f秒で、Siトランジスタの約100倍高速であること、(3)スイッチングに必要な消費エネルギーも数十f~100fJで、10GHz動作のSiトランジスタに比べて大幅に少なく、従来最も省エネルギー動作の光スイッチに対しても1/100と低い、の大きく3点である。NTTらは、今回の技術を将来のスイッチング機能付きチップ間またはコア間の光インターコネクトや、光ニューラルネットワークの活性化関数部などに応用していく方針という。

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NTTが想定するチップ間光インターコネクトのイメージ模型
赤い配線が光インターコネクト。チップ間を高速道路のようにつなぐ。(写真:日経xTECH)

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チップ間光インターコネクトの実装イメージ
(写真:日経xTECH)

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NTTが開発した超小型、超高速、超省エネルギーの全光スイッチ
(写真:NTT)

ゲート電圧の代わりに制御光でオンオフ

 NTTらが今回開発した全光スイッチは、光の導波路と1~数層のグラフェンを組み合わせることで光の透過と吸収を切り替える素子である。グラフェンは、一般には光や電磁波を2.3%の割合で吸収する性質を持つが、高強度の光を照射すると、短時間の間、エネルギー準位が飽和して光を吸収する機能を失う。全光スイッチではこの性質を利用して、導波路のコアに沿うようにグラフェンを転写して被せる。そのコアに信号光と制御光を通すと、2つの光のタイミングが離れている場合は、信号光は吸収(オフ)。タイミングがほぼ一致している場合は信号光が透過(オン)になる。3端子のトランジスタと異なり、信号光と制御光を1つの導波路に入力する2端子のスイッチになる。

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信号光と制御光のタイミングでオンオフが決まる
全光スイッチのオンオフ制御の方法と結果を示した。制御光が信号光とずれていると、グラフェンが信号光を吸収するためオフ。制御光が信号光とほぼ重なっていると、グラフェンが信号光を吸収しなくなり、透過させるためオンになる。(図:NTT)

体積を数百分の1以下に小型化

 この仕組み自体は従来のSi導波路型光スイッチでも同じだったが、導波路コアの面積は最もコンパクトな例でも400nm×200nm、長さは30μm以上とSiトランジスタよりはるかに大きなサイズだった。これが電子のトランジスタが自動車なら、光素子は飛行機、トランシーバーは空港と呼ばれるゆえんで、高速大容量化と集積密度がトレードオフの関係にあった。

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体積は数百分の1以下に
従来の最小級のSi導波路型光スイッチ(a)と今回のプラズモニック導波路型光スイッチ(b)の寸法を比較した。(図:NTT)

 一方、今回の全光スイッチは、コアの断面積は30nm×20nmと従来の1/100以下になり、長さも数μmと数分の1に小型化した。長さこそSiトランジスタに比べてまだ長いが、コアの断面積は、最先端のSiトランジスタと肩を並べる水準になった。

光を波長2/4000の空間に閉じ込め

 ここまで小型化できたポイントは、誘電体と金属の界面で光と電子が結合した「表面プラズモニックポラリトン」という状態を利用したことにある。これで電磁波に付きまとっていた回折限界の壁を超えられる。近接場光顕微鏡などもこの効果を利用している。

 ただし、これまでの表面プラズモンポラリトンの利用例の多くは、波長の数分の1程度までのコンパクト化がせいぜいで、それ以上の大幅なコンパクト化に成功した例はほとんどなかった。

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Si導波路型光スイッチ(左)と今回のプラズモニック導波路型光スイッチ(右)の特性などの比較
コア中の光のエネルギー密度、グラフェンの光吸収率(dB/µm)、素子長などの点でいずれもプラズモニック導波路型光スイッチが大幅に優れる。(図:NTT)

 今回は、空気の導波路コアを2つの金(Au)で挟み込むMIM(Metal-Insulator-Metal)構造の光導波路を作り、そこにグラフェンを被せた。MIM構造の導波路は光の閉じ込め効果が非常に高く、波長1550nmの光を、30nm×20nmという極小空間に閉じ込めることができたとする。これは、およそ「波長2/4000=(波長の60超分の1)2以下」という、従来の常識を超えた「極限的光閉じ込め」(NTT)という。

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