1880年2月、米国の発明家アレクサンダー・グラハム・ベルは、ワシントンの研究室で、彼自身が電話よりもさらに偉大な業績だと考えた装置、「光電話（フォトフォン）」を開発しました。光を用いて話し言葉を長距離に伝送するというベルの着想は、現代のインターネットが想像できない技術の先駆けとなりました。
今日では、膨大な量のデータが光パルスとして光ファイバーケーブルを通じて驚くほどの速さで送られています。そのためには、まず、コンピューターや電話で使われる電気信号を光信号に変換しなければなりません。ベルの時代には、音波を変調された光に変えていたのは、単純で非常に薄い鏡でした。今日の電気光学変調器はより複雑ですが、遠い祖先と一つの点を共有しています。すなわち、数センチメートルもあるため依然としてかなり大きいことです。これは、数マイクロメートルにもなりうる電子デバイスと比べるといっそう顕著です。
スイスのETH Zurichのフォトニクス・通信学教授Juerg Leuthold氏と同僚の研究者たちは、科学誌「Nature Photonics」に掲載された画期的な論文で、新規の変調器を発表しました。この変調器は百分の一の大きさであり、そのため電子回路に容易に組み込むことができます。さらに、新しい変調器は一般的なモデルよりかなり安価で高速であり、消費エネルギーもはるかに少なくて済みます。
プラズモン・トリック
この手品のような仕掛けのために、Leuthold氏と、その博士課程の学生で変調器の開発に貢献したChristian Haffner氏が率いる研究者たちは、技術的な工夫を用いています。可能な限り小さな変調器を作るには、まず、強度を変調したい光ビームを非常に小さな体積に集束させる必要があります。しかし、光学の法則により、そのような体積は光自体の波長より小さくすることはできません。現代の電気通信では波長1.5マイクロメートルのレーザー光が使われており、したがって、これが変調器のサイズの下限となります。
その限界を超え、デバイスをさらに小さくするために、まず光はいわゆる表面プラズモン・ポラリトンに変換されます。プラズモン・ポラリトンは、電磁場と電子が組み合わさったもので、金属の細い帯の表面に沿って伝わります。帯の端で、再び光に戻されます。この迂回の利点は、プラズモン・ポラリトンが、元になった光よりもはるかに小さな空間に閉じ込められる点にあります。
屈折率を外部から変化させる
デバイスから出る光のパワーを制御し、それによってデータ転送に必要なパルスを生成するために、研究者たちは干渉計の動作原理を用います。例えば、レーザービームをビームスプリッターによって2本のアームに分け、ビームコンバイナーで再結合することができます。その後、光波は重なり合い（「干渉」し）、干渉計の2本のアームにおける相対的な位相の状態に応じて、互いを強めたり弱めたりします。位相の変化は、波の速度を決定する屈折率の差から生じることがあります。一方のアームに、屈折率を外部から変化させることができる材料が含まれていれば、2つの波の相対位相を制御でき、したがって干渉計を光変調器として用いることができます。
ETHの研究者が開発した変調器では、光ビームではなく、幅わずか0.5マイクロメートルの干渉計を通して送られるのはプラズモン・ポラリトンです。電圧を印加することで、干渉計の一方のアームにおける屈折率、ひいてはプラズモンの速度を変化させることができ、それが今度は出口での振動の振幅を変化させます。その後、プラズモンは再び光に変換され、さらなる伝送のために光ファイバーケーブルに送られます。
より少ないエネルギーでより速い通信
Leuthold氏と同僚たちが構築した変調器は、いくつもの利点を同時に備えています。「信じられないほど小型でシンプルであり、さらに、これまでに作られた中で最も安価な変調器でもあります」とLeuthold氏は説明します。実際、シンプルな構造です。ガラス上にある厚さわずか150ナノメートルの金の層と、電圧が印加されると屈折率が変化し、それによって干渉計内のプラズモンを変調する有機材料から構成されています。このような変調器は従来型のデバイスよりはるかに小型であるため、消費エネルギーは非常にわずかです。データ伝送速度が毎秒70ギガビットの場合、消費電力はわずか数千分の1ワットにすぎません。これは市販モデルの消費量のわずか百分の一に相当します。
その意味で、この変調器は環境保護に貢献します。世界中でデータ伝送に使われるエネルギー量はかなりのものであり、何しろすべての光ファイバー回線に変調器が存在するからです。毎年、ますます多くのデータを、ますます高速で伝送する必要があり、その結果、エネルギー消費が増加しています。したがって、100倍のエネルギー削減は大いに歓迎されるはずです。「当社の変調器は、より少ないエネルギーでより多くの通信を実現します」と、このETH教授は要点を端的に述べています。現在、変調器の信頼性は長期試験で検証されており、これは商業利用に適したものにするための重要な段階です。
本記事は チューリッヒ との協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムの見解を支持するものではありません。
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執筆者：Oliver Morsch氏は、ETH Zurichの寄稿ライターです。
画像：新竹（Xinchu）の台湾積体電路製造（TSMC）で展示された12インチウェハー（2007年1月9日）。REUTERS/Richard Chung.
