(1)　世界最小動作エネルギーを持つナノ光変調器の実現
フォトニック結晶による微小な光ナノ共振器を用いて、超小型のナノ光変調器を作製しました。40 Gbit/sの高速な電圧信号入力に追従する明確な光変調出力が観測され、このときの消費エネルギーは、現存するさまざまな材料や構造の光変調器の中でも最小〔1ビット当り42 aJ(アトジュール)＊〕であることを確認しました。
(2)　超低容量のO－E－O変換素子の実現
同一のフォトニック結晶上にナノ光変調器とナノ受光器を形成し、近接集積することで、超小型のO－E－O変換素子を作製しました(図)。動作実験では、ナノ受光器に入力された10 Gbit/sの高速な光信号がまず電流となり、さらに負荷抵抗を介して電圧信号へと変換されます。この電圧信号をナノ光変調器に与えることで、別波長の光に信号波形を転写することができます。これにより、光非線形動作の1つである、光信号の波長変換動作を実現しました。このとき必要な光制御エネルギーは1ビット当りわずか1.6 fJ(フェムトジュール)＊であり、従来のO－E－O変換素子に比べて2桁以上の低減を達成しました。また、動作速度とRC時定数の対応から、この集積による電気容量がわずか2 fFであることを確認しました。これは世界で初めてfF(フェムトファラッド)レベルの光電子集積に成功した成果です。
(3)　信号利得を持つ省エネの光トランジスタ動作の実現
上記の光波長変換動作では、制御光の入力強度よりも被制御光の出力強度を2倍以上高めることができました。これは光信号の入出力において信号利得が得られたことを意味し、「光トランジスタ」に相当する動作を実現したことになります。従来のO－E－O変換素子では、このような動作における小型化・省エネ化は困難でした。また、利得があることで、この光トランジスタを多段に接続することも可能となり、将来的に高密度な集積による光信号処理が期待されます。

＊：1 a＝10-18、1 f＝10-15

今回実証されたナノ光変調器およびO－E－O変換型の光トランジスタは、従来技術に比べて圧倒的に小型で低消費エネルギーであることから、従来「信号伝送」にとどまっていた光技術を「信号処理」にまで適用する道筋になり得る技術です。例えば、多数のCMOSコア間でキャッシュ情報を共有するため、光トランジスタを中継器とした小型で省エネの光ネットワーク処理が期待できます。また、光ニューラルネットワークをはじめ光による機械学習が近年活発に研究されており、その中で光トランジスタは光領域でニューロンを構成するなどの役割が期待できます。
近い将来、サイバーフィジカルシステム(CPS)と呼ばれるような、IoT(Internet of Things)などの現実空間からのデータ情報とサイバー空間を介在し、リアルタイムで分析やフィードバック処理を行うシステムが必要と考えられています。現在のCMOSテクノロジのように並列処理に依存するだけでは高度なリアルタイム処理は難しく、今回実現されたような光電子集積技術をプロセッサチップ内で駆使し、低遅延で低消費エネルギーの情報処理を実現する必要があります。NTTでは、本成果である低容量の光電融合技術を活用して、このような次世代の情報処理基盤の構築をめざします。