未来の光信号処理デバイスに近づく新技術、早大が開発。透明/不透明を高速切替

早稲田大学は、「多谷間物質」(後述)である不透明なゲルマニウムの薄膜にパルスレーザーを照射することで、幅広い波長の光に対して透明・不透明を同時かつ超高速に切り替えられることを実証したと、2月26日に発表した。

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  光スイッチングデバイスの動作概略図およびその原理
  (出所:早大WebサイトプレスリリースPDF)

同成果は、早大 理工学術院の賈軍軍(ジャ・ジュンジュン)教授、中部大学の山田直臣教授、産業技術総合研究所の八木貴志研究グループ長らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する応用物理学全般を扱う学術誌「Physical Review Applied」に掲載された。

光学材料の屈折率や消衰係数といった光学定数には、光の強度が強くなると、それに依存して変化するという、非線形性が現れてくる。それを利用すると、レーザー波長の変換など、通常の光学系では実現できない、多彩な光の操作が可能になる。ただし従来の材料では、高強度レーザーなどの照射により、特定の波長において光学非線形性が発現するのが一般的であった。

一方、半導体材料では、バンドギャップ以上の高強度レーザーを用いると、多数の電子が価電子帯から伝導帯に高密度に励起され、「電子-フォノン散乱」によって伝導帯の下部を一時的に占有することが可能となる。そして、その占有は「パウリ・ブロッキング効果」と呼ばれ、それによって一時的に光を透過できる状態が生じる。

この現象は、直接半導体材料である窒化インジウム(InN)ですでに観測されており、光の高速スイッチング技術として注目されている。しかしInNの透明化が起こるのは、近赤外領域のバンドギャップ付近に限定されていた。そこで研究チームは今回、近赤外から可視光領域までの広い波長帯域で高速に透明化する新たなアプローチを提案、その実証を行うことにした。