チップ

シリコンベースの集積回路はムーアの法則に従っており、半導体技術の多くの技術進歩によって推進されてきました。 現在、研究者はフォトニック IC の出現により、従来の回路アーキテクチャの枠を超えて注目しています。 しかし、シリコンチップ上に信頼性の高いレーザー光源が存在しないことが、シリコンフォトニックICの可能性を制限する大きな障害となっていました。

この記事では、これらの問題に対処するスタンフォード大学の新しい研究を検討します。

レーザーは光学システムオンチップの重要なコンポーネントですが、アイソレータに関連する技術的課題により、チップ上での維持が困難になっています。 レーザーからの光がレーザー自身に反射し、レーザーが不安定になったり、使用不能になったりする可能性があります。 したがって、従来の光ファイバーや大型の光学システムでは、ファラデー効果を利用した光アイソレーターが使用されています。 このアプローチはチップ上で再現可能ですが、CMOS (相補型金属酸化膜半導体) テクノロジーと互換性がないため、スケーラビリティに問題が残ります。

磁石を使用しないアイソレータや、ファラデー効果に依存しないアイソレータの製造も進歩しました。 ただし、システムが複雑で電力を消費することになります。

スタンフォード大学の研究者らは、Nature Photonics に掲載された論文の中で、理想的なアイソレータは完全にパッシブで磁石を使用せず、拡張性があり、CMOS テクノロジーと互換性があるものであると示唆しています。 彼らは、よく知られた半導体材料から効果的なパッシブチップスケールアイソレータを作成しました。

光アイソレータは一方向のみに光を透過させ、反射波を効果的に打ち消します。 ファラデー効果に依存するアイソレータは、磁場が印加されると光の偏光に回転を引き起こすアイソレータの主要コンポーネントであるファラデー回転子を使用します。

偏波依存アイソレータは、入力偏光子、ファラデー回転子、および出力偏光子を使用します。 逆方向に進む光の場合、入力偏光子は光を 45 度偏光します。 ファラデー回転子は再び 45 度回転します。 出力偏光子は垂直に配置されているため、水平偏光の反射光はキャンセルされます。

一方、偏波独立アイソレータは、まず偏光子を使用して入力ビームの直交成分を分割します。 次に、それらをファラデー回転子を通して送信し、入力偏光子で結合します。 反射光はオフセットして表示され、通過できなくなります。

このようなシステムは、CMOS テクノロジーと互換性がないため、チップ上に実装するのが非常に困難です。

スタンフォード大学の研究者らが実証した統合連続波アイソレータは、カー効果で動作することを実証しました。 一般的な半導体材料の一つである窒化ケイ素（SiN）でできており、量産が容易です。

カー効果は、等方性物質が電場の下で複屈折性になり、光による電場が材料の屈折率の変化を引き起こし、その屈折率は光放射照度に比例することを示唆しています。

後者の効果は、レーザーなどの強力なビームではさらに顕著になります。 SiN リングのカー効果により、リングの時計回りモードと反時計回りモード間の縮退が解消され、非対称な方法での波の送信が可能になります。

一次レーザービームは SiN リングを通過し、光子がリングの周りを時計回りに回転します。 同時に、反射されたビームにより光子が反時計回りに回転します。

リング内の循環によりエネルギーが蓄積されます。 パワーの増加は弱いビーム (この場合は反射ビーム) に影響を与えますが、強いビームは影響を受けません。

スタンフォード大学の電気工学教授であり、この研究の主著者であるエレナ・ヴチコビッチ氏と彼女のチームは、概念実証としてプロトタイプを構築し、優れた性能を達成するためにカスケード内で 2 つのリングアイソレータを結合することを実証しました。 彼らはまた、リング共振器の結合を変えることによって、結合に関連する分離と損失をトレードオフできると報告しています。

研究者らはさらに、さまざまな光周波数に対応したアイソレータに取り組む計画を立てており、チップスケールアイソレータの他の用途を探るために、これらのコンポーネントのスケールダウンに取り組む予定だ。