量子ドットを用いた新しいタイプの光スイッチ

共同量子研究所 (JQI) で開発された光スイッチは、フォトニクスとエレクトロニクスのマーク統合を促進します。

え、電子工学で十分じゃないの？光より速く移動するものはありませんし、知識の処理と伝達を急ぐ時間と労力を考えると、実用的な光電子工学プロトコルを開発するには、光子と電子を組み合わせて使用することが望ましいのです。JQIスイッチは、わずか120ピコ秒で光線をある方向から別の方向へ誘導でき、必要な電力はわずか90アトジュール以下です。使用する波長、つまり近赤外線では、これは約140個の光子に相当します。これは実際には、光ファイバー伝送分野に導入される優れたデバイスであるフォトニック結晶で作られた導波路のセットアップです。

量子ドットは、空孔のない小さな領域内に配置されます。光はエンドキャップを介して導波路に出入りします。適切なタイミングでポンプレーザーパルスを照射すると、プローブ光が側面から出射されます。プローブ光とポンプ光が揃っていない場合、プローブ光は導波路の遠端から出射されます。ほとんどの電子機器の中核を成すのはトランジスタです。トランジスタは固体素子であり、ゲート信号を用いて近傍の小さな導電経路に情報信号の通過をオン/オフします。

フォトニクスにおける類似のプロセスは、ゲートとして機能する固体素子、すなわち近傍の導波路を通る光の通過をオン/オフする素子、あるいはビームの方向を切り替えるルーターとしての利用が考えられます。メリーランド大学と国立標準技術研究所（NIST）のエド・ワクス氏とその同僚らが準備・実施したJQI実験では、共振空洞内に量子ドットを配置することで、全光スイッチが実現しました。この量子ドットは、インジウムとヒ素という2つの元素をナノメートルサイズで挟み込んだ構造で、非常に小さいため、内部を移動する電子は、まるで原子のように、特定の波長の光しか放射できません。量子ドットは、多数の小さな穴が形成されたフォトニック結晶という材料の中に存在します。

空孔は、狭い波長範囲を除いて太陽光が結晶を通過するのを遮断します。実際には、量子ドットは空孔のない小さなアーケード内に位置し、共振空洞のように機能します。光が近くの導波路を伝わると、多くの光が空洞に入り込み、そこで量子ドットと相互作用します。そして、この相互作用こそが導波路の透過特性を変化させるのです。スイッチング動作を生み出すには導波路内に140個の光子が必要ですが、量子ドットを変調させ、スイッチをオンさせるには、実際には約6個の光子しか必要ありません。

従来の光スイッチは、かさばる非線形結晶と高い入力電力を用いることでしか動作しませんでした。これに対し、JQIスイッチは、単一の量子ドットと非常に低い入力電力を用いて、高い非線形相互作用を実現します。スイッチングに必要な電力はわずか90アトジュールで、これは日本の研究所でこれまでに報告された最高のデバイスの約5分の1に相当します。この最高のデバイス自体も、他の全光スイッチの100分の1の電力しか消費しません。しかし、JQIスイッチは室温で動作できるという利点があります。JQIスイッチは40K近くの温度を必要とするからです。

電子工学とのアナロジーを続けると、情報伝達ビームによって導波路上を伝わる光は、第2のパルス（制御ビーム）の存在によって方向を切り替えることができます。プローブビームをデバイス側へ導くには、わずかに離調したポンプビームをプローブビームと同時に、つまりドットと共鳴状態に到達させる必要があります。ドットは導波路の中央のタブのすぐ外側、共振器内にあります。量子ドットからの温度は、共振器によって共鳴状態になるように調整されており、強い結合が生じます。ポンプビームがプローブビームと同時に到達しない場合、プローブビームは別の方向に出射します。