光ビームを素早く切り替えることは、多くの技術応用において重要である。ETHの研究者らは今回、現行モデルよりも大幅に小型かつ高速な、光ビーム用の「電気・光・機械」スイッチを開発した。これは、自動運転車や光量子技術などの応用に関連するものである。
自動運転車は近年、性能と信頼性が向上している。しかし、近い将来に一般道で完全自律走行が認められる前に、いくつかの課題を克服する必要がある。とりわけ、周囲を瞬時に評価し、人や障害物を認識する必要性は、現在の技術の限界に挑むものである。米国の国立標準技術研究所（NIST）およびスウェーデン・ゴッテンブルクのチャルマース工科大学の同僚らとともに、ETHチューリッヒ電磁界研究所のJürg Leuthold氏が率いる科学者チームは、今回、将来これら両方の課題をうまく解決できる可能性のある新たな「電気・光・機械」スイッチを開発した。
光学的な要となるプラズモニクス
この目的のために、研究者らは「プラズモニクス」として知られる重要な技術を用いた。この技術では、光波を光の波長よりもはるかに小さい構造の中に押し込む。光学の法則によれば、これは不可能なはずである。しかし、金属と誘電体（空気やガラスなど、電流をほとんど通さない物質）の境界に沿って光を導くことで、これを実現できる。
光の電磁波は金属に部分的に浸透し、その内部の電子を振動させる。その結果、光波と電子励起からなるハイブリッドな存在、すなわちプラズモンが生じる。10年以上前、著名な物理学者の一部は、プラズモンに基づく光スイッチがデータ伝送およびデータ処理に革命をもたらす可能性があると既に予測していた。どちらも、従来の電子回路よりも光子を用いる方がはるかに高速に行えるためである。
しかし、これまでのところ、プラズモニクス素子を通過する光子の輸送時に生じる大きな損失と、必要とされる高いスイッチング電圧のため、実用的な商業応用は実現していない。
プラズモニクスの長所を活かす
「今回、プラズモニクスの優れた特性を活かしつつ、その欠点を最小限に抑えることで、これらの問題を解決しました」と、このプロジェクトを率い、最近発表されたScience論文の筆頭著者でもあるポスドクのChristian Haffner氏は語る。Haffner氏と同僚らが開発した電気・光・機械スイッチの中心的な特徴は、厚さわずか40ナノメートル、幅数マイクロメートルの金薄膜であり、これが酸化アルミニウムの円盤によってシリコン基板から隔てられている。
この構成では、金薄膜と基板の間の隙間の大きさを機械的な力によって制御できる。電圧を印加すると薄膜はわずかに撓み、その結果、隙間は小さくなる。
隙間の大きさによって、光波が金薄膜をそのまま通過するか、それとも迂回させられるかが決まる。ここでプラズモンが関わってくる。実際、隙間の幅が一定の場合、金薄膜上では特定の波長をもつプラズモンのみが励起されうる。光の波長が異なれば、薄膜と結合せず、シリコン導波路内を直線的に伝搬するだけである。
小さな損失とスイッチング電圧
「プラズモンはスイッチング薄膜の周囲の短い経路でのみ使用するため、現行の電気光学スイッチと比べて損失を大幅に抑えられます」とHaffner氏は説明する。「また、金薄膜を非常に小さく薄く作ったため、非常に高速かつ小さな電圧で切り替えることができます。」
科学者らは、新たなスイッチが1ボルトをわずかに超える電圧で、毎秒数百万回オンとオフを切り替えられることを既に実証している。これにより、電気光学スイッチに通常用いられる、かさばり電力を大量に消費する増幅器が不要になる。今後、科学者らは金とシリコンの間の隙間をさらに小さくすることで、スイッチの性能をさらに向上させる計画である。これにより、光の損失とスイッチング電圧の両方を大幅に低減できるようになる見込みである。
自動車から量子技術まで広がる応用
新たなスイッチの応用の可能性は多岐にわたる。例えば、自動運転車向けのLIDAR（「Light Detection and Ranging」）システムでは、光ビームの強度と伝搬方向を極めて迅速に変化させる必要があり、その際に高速かつコンパクトなスイッチの恩恵を受ける可能性がある。
さらに、車の操縦に必要なパターン認識も、このようなスイッチによって加速できる可能性がある。そのために、人間の脳を模倣した光ニューラルネットワークにスイッチを利用することが考えられる。そこでは、ネットワークが特定の物体を認識することを「学習」するための重み付け要素として用いられ、実質的に光の速度で処理が行われることになる。
通常は電流で動作する回路の、このような光学的な実装も、他の分野で注目を集めている。光量子回路もまた、例えば量子技術（ETHで新設された修士課程「Quantum Engineering」で教えられている）の実現に向けて、盛んに研究されている。これまで、光量子回路は従来型の光スイッチによって支えられてきた。これらのスイッチは通常、材料を加熱した際の屈折率の変化に基づいており、それによって光ビームがどの程度曲げられるかが変化する。
しかし、この方式は動作が遅く、長期的には、量子コンピュータの量子ビット（古典的な「0」と「1」のビットに相当する「キュービット」）など、他の量子素子が通常動作する低温環境と両立しない。実質的に全く発熱しない高速スイッチは、こうした応用にとっても歓迎すべき要素となるはずである。
