Laser Focus World JAPAN　レーザーフォーカスワールドジャパン

December 14, 2012, Pasadena--カリフォルニア工科大学(Caltech)の研究グループは、光をわずか数nm径の点に集光するデバイスを開発した。これは、コンピューティング、通信、イメージングなどの次世代アプリケーション実現に貢献する。
光は電気信号よりも遙かに多くの情報を運べるので今日の技術はますます光に依存するようになっている。世界はすでに数千マイルの光ファイバケーブルで接続されており、これによりEメール、画像、最新のビデオがラップトップへ配信される。
データ量が多くなるにともない、コンピュータ通信ネットワークは情報の洪水に対処できなければならない。光を微小な空間に集光することは、より多くのデータを光ファイバに圧縮し帯域を増やせることになる。さらに、そのような小さなレベルで光を制御できることで、光デバイスはよりコンパクトになり、消費エネルギーも少なくなる。
しかし、光を微小レベルに集光することは本質的に困難である。光を波長よりも小さなサイズ、可視光の場合数100nmにすると、いわゆる回折限界に直面する。これは、これ以上光を絞ることは物理的に不可能であるということだ。
しかしHyuck Choo電気工学助教授の主導するCaltechの研究グループは、光を導くトンネルのようなデバイス、新しい種類の導波路を作製した。これにより、この自然の限界を回避できる。この導波路は、アモルファス二酸化ケイ素(普通のガラスと同じ)でできており、金薄膜で覆われている。わずか2μmの長さのこのデバイスは先端が細くなる方形の箱。
光がその導波路に入ると、フォトンは金と二酸化ケイ素との間で電子と相互作用する。その電子が振動し、振動はデバイスに沿って波のように伝搬する、これは空気分子の振動が音波として伝わるのと類比的だ。電子の振動は直接光と結合するので、その振動が情報と特性を運ぶことになり、光の代理となる。
光だけを集光するのは回折限界により困難なので、新しいデバイスは電子振動と結合した光、つまり表面プラズモンポラリトン(SPP)を集光する。SPPはその導波路を伝搬して、尖った先端を通って集光する。
Choo氏によると、新しいデバイスは標準ナノ製造技術を用いた半導体チップで造られるので、今日の技術との統合が容易である。
従来のオンチップ・ナノ集光デバイスは光を細い線に集光することしかできなかった。非効率で、入射フォトンのわずか数％しか集光できず、デバイス伝搬中に大半は吸収されたり散乱されたりした。
新しいデバイスによって光は究極的には3D集光でき、直径数nmの点ができる。「これには、伝搬した光の半分を使えばよい」とChoo氏は言う(わずかに大きなスポット、14×80nmに集光すると効率が70％向上)。デバイスの集光能力と効率の背景となっている重要な特徴は、独自の設計と形状にある。
Kim氏は、アプリケーションの1つとして、効率的な高分解能のバイオイメージング機器への適用を挙げている。生物学者は、特別な細胞を、光を当てると発光する蛍光タンパク質で染色する。新しいデバイスを用いると、研究者は光を細胞に集光し、蛍光タンパク質を光らせる。このデバイスは光を小さな点に集光できるので、染色された分子の高分解能マップを作成できる。光は逆方向にも進むことができるので、デバイスは高解像度顕微鏡にもなる。
さらにChoo氏は「コンピューティングはますますオプティクスに依存するようになるので、データを運ぶ光をナノスケールレベルに集光し制御できるデバイスは重要になり、ユビキタスになる」と語っている。
同氏によると、次のステップはデザインを最適化し、イメージング機器とセンサの作製を始めることである。
(詳細は、Nature Photonics/ www.caltech.edu)