電気光スイッチが記録的な低温でデータを伝送

このスイッチは幅広い温度範囲で動作し、高速データ伝送を提供し、消費電力も少ないことから、電力が限られており温度が大きく変化する宇宙で使用される機器からのデータ伝送にも役立つ可能性がある。

「極低温で稼働するシステムに電気接続を行うのは非常に困難ですが、光学技術が解決策となります」と、ニューメキシコ州サンディア国立研究所の主任研究者マイケル・ゲール氏は述べています。「私たちの小型スイッチは、電気ではなく光ファイバーを伝わる光を使って、低温環境からデータを伝送することを可能にします。」

光学会の高影響力研究誌 「Optica 」において、ゲール氏とその同僚らは、新しいシリコン製マイクロディスク変調器について報告し、4.8ケルビンという低温環境でもデータを伝送できることを示した。このデバイスはCMOSコンピュータチップの製造に用いられる標準的な技術を用いて製造されており、電子部品を搭載したチップに容易に組み込むことができる。

「これは、このような低温で動作するアクティブシリコン光デバイスの最初の例の一つです」とゲール氏は述べた。「私たちのデバイスは、低温環境下での電気的情報送受信速度によって制限される技術に革命をもたらす可能性があります。」

低温でも優れた光学性能

低温アプリケーションでは、光によるデータ伝送は電気によるデータ伝送に比べていくつかの利点があります。電線は熱を伝導するため、冷却を必要とするシステムに熱を持ち込むことがよくあります。一方、光ファイバーはほとんど熱を伝達しません。また、1本の光ファイバーは電線よりも多くのデータをより高速に伝送できるため、1本の光ファイバーで複数の電気接続の役割を果たします。

マイクロディスク変調器の動作に必要な電力はごくわずかで、現在市販されている電気光学スイッチの約 1000 分の 1 の電力です。これにより、デバイスが寒冷環境に与える熱も低減されます。

この新デバイスを作製するために、研究者たちは直径わずか3.5ミクロンのシリコンマイクロディスクの横に、光波を伝送するために用いられる小さなシリコン導波路を作製した。導波路を通過した光はマイクロディスクに入り、導波路を直進するのではなく、ディスクの周りを伝わる。シリコンマイクロディスクに不純物を加えることで、電圧を印加できる電気接合部が形成される。電圧は材料の特性を変化させ、光がディスクに入るのを阻止し、代わりに導波路を通過できるようにする。つまり、電圧のオン/オフに応じて光信号がオフ/オンになり、電気データを構成する1と0を光信号に変換する方法が得られる。

他の研究グループも同様のデバイスを設計しているが、ゲール氏らは、使用する不純物の量とそれらの正確な配置を最適化し、マイクロディスク変調器を低温で動作させた初めての研究グループである。彼らのアプローチは、低温で動作する他の電気光学デバイスの開発にも応用できる可能性がある。

低いエラー率

マイクロディスク変調器を試験するため、研究者たちはそれをクライオスタット（内部を極低温まで冷却できる小型真空容器）内に設置した。マイクロディスク変調器は、クライオスタットに送られた電気信号を光信号に変換する。そして、研究者たちはクライオスタットから出力される光信号を調べ、入力された電気データとどの程度一致するか測定した。

研究者たちは、室温、100ケルビン、4.8ケルビンの3つの温度で、最大10ギガビット/秒までの様々なデータレートでデバイスを動作させた。最高データレートと最低温度ではエラー率がわずかに増加したものの、エラー率は依然として十分に低く、デバイスがデータ伝送に実用的であることが確認され、この結果は妥当なものであった。

この研究は、サンディア国立研究所の応用フォトニクス・マイクロシステムズグループが主導する、光通信および高性能コンピューティング用途向けシリコンフォトニックデバイスの開発に向けた長年の取り組みに基づいています。研究者たちは次のステップとして、クライオスタット外部からの電気信号だけでなく、低温環境内で生成されたデータでもデバイスが動作することを実証したいと考えています。また、デバイスの性能最適化も継続して進めています。