特集：次世代 EO 素子開発の最前線 1

有機色素分子を用いた電気光学光変調器の開発

Q：光デバイスの鍵となる光変調器

情報通信を抜本的に高速・大容量化するの仕組みを教えてください。
大友：ネットワークの高速化のため、光通信が広く使われています。光変調器は光通信の要ともいえるデバイ

近年の情報通信網の発達に伴い、ネットワーク技術のさスで、導波路に光を通すことで、電らなる高速化や省電力化が求められています。しかし、気信号を光信号へ変換することがで既存技術の延長では、いずれ行き詰まることが予想されきます。導波路を端から順に見てており、根本からネットワーク技術を見直す必要がありいくと、まず、光は2つの方向に分ます。ナノ ICT 研究室では、有機材料を用いた革新的光岐され、その後、分岐した2つの光制御デバイスの開発を目指し、研究が進められています。

は再びひとつに合流します。この時、大友明室長にその開発状況と今後の展開について伺いま

2つに分岐させた片側の道の屈折率した。

を上げると、光が進むスピードが落ち、光の位相がずれます。位相がずれると光が合流した時に干渉が起こり、山と山、谷と谷は強め合い、山と谷は打ち消し合うという現象が起きます（図1）。
ここで、導波路の屈折率をコントロールし、光の進む速度を変えているのがEO素子です。EO素子は電気ナノICT 研究室室長

大友 明
Otomo Akira

Ph.D.
略歴
（現
大学院修了後、1996 年、郵政省通信総合研究所NICT）に入所。分子フォトニクスやナノフォトニクスを光制御技術に応用する研究などに従事。東京工業大学大学院理工学研究科連携教授。
研究分野
非線形光学、光導波路デバイス、有機分子フォトニ
クス
近況
数年前に柴犬を飼い始めてから、すっかり愛犬家になりました。週末は、気の向くままに犬とあぜ道を散歩することでリフレッシュしています。

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になりましたが、このままではいずれ頭打ちとなり、次世代の高速通信には対応できません。
さらに、ニオブ酸リチウムのEO
素子はレアメタルを使っているため、資源の面で限りがあります。EO素子は光通信では基幹となる部品です
ので、地表のどこにでもあり、まとまって手に入れることができる材料を使うのが理想です。
そこで、私たちは、有機材料である有機色素をEO素子として用いた光変調器の研究開発を進めています。

Q：光変調器に有機材料を使うことでどのような利点がありますか。
大友：まず、レアメタルを使用せずに、炭素や水素、酸素、窒素、フッ素、硫黄など、ごくありふれた材料で製造することができます。その結果、重量を軽くすることができたり、柔軟性をもたせたりすることも可能です。
性能面でも、有機材料は無機材料に比べ、スピードが速く効率が良い
図 1：マッハツェンダ型光変調器。EO 素子に電場をかけることで、L の区間の屈折率が上がる。屈折率を上げ、光の進むスピードを半波長分だけ遅くすると、光の波の山と谷が相殺し、光出力は０となる。上の写真は実物。１本の回路が二股に分かれた後、再び合流していることがわかる。

デバイスを作ることができます（図2）。これは、電磁波の一種である光が、物質の中にある電荷と電気的4光 学（Electro-Optic：EO）効 果 を数を高く変調できれば、それだけ多な相互作用を起こすとき、有機材料利用したもので、電場をかけると導くの信号を載せることができるようの方が効率が良いためです。物質中波路の屈折率を変えることができまになります。の電荷とは、例えば、無機材料ではす。つまり、光変調器は、電気信号現在、EO素子に使われているの金属中の自由電子や、結晶中のイオによって光の強度や位相を変調させはニオブ酸リチウム（LN）という無ンに相当します。対して、有機材料ることで、光を信号として使えるよ機材料です。LNは高速変調が可能の場合では、二重結合や三重結合にうにしているのです。

な材料ですが、それでも、物質特性関与するπ電子が電荷であり、有機このEO素子がどれだけ速く光のから10GHzを超えると変調ができ分子の中を非常に動きまわりやすい強度や位相を変えられるかが、光通なくなってしまいます。さまざまなという特徴があります。そのため、信の速度を左右します。つまり周波工夫で40GHzまで変調できるよう無機材料よりも特定の周波数や波長KARC FRONT vol.26 2013 SPRING

特集：次世代 EO 素子開発の最前線 1に強く応答します。この性質を利用導波路を作るには、まず屈折率を低解決にはごく一般的な方法を用いして必要な波長に応答するようにデく調整したポリマーでクラッド層をました。クラッドにも有機EOの含ザインすれば、とても効率よく応答塗り固めた後、その上に屈折率を高有量の低いポリマーを用い、これをさせることができるのです。

くした有機EOポリマーを塗布して塗布した後に、熱でポリマー同士を有機EOコア層とし、不必要な部分連結させ、異なるポリマーを塗り重Q：デバイス開発にはどのような課を削った後に、再びクラッド層を載ねても下の層が溶媒に溶けないよう題がありましたか。

せることによって、有機EOコア層にしました。これならばどの層にも大友：EO効果を発現するのは、電をクラッド層で覆うことができます。

EO分子が含まれているので導電率子供与基（ドナー）と電子受容基（アしかし、この導波路の作製には、の差は少なくなり、分子の向きを揃クセプター）をπ共役で結んだ有機異なるポリマーの層を重ねる際に、えることができるようになります。

色素の分子です（図3）。デバイスを溶媒が下の層を溶かしてしまうとい

この際、私たちのオリジナルの方作るには、分子を基板上に載せなけう問題がありました。この問題に対法として、2種類の有機色素を使う

ればなりませんが、有機色素そのもし、従来法ではクラッドのポリマーことで、有機EOコア層により電場のを溶液にして塗り固めても、透明に紫外線で固まる接着剤を使うことを集中させ、分子の配向性を高めらにならないので、光を通すことはでで対処していました。しかし、これることがわかりました。1つはこきません。また、分子の方向を揃えの方法では、有機EOポリマーのほれまでと同様のEO分子で屈折率とることも重要です。

うが接着剤より導電率が高いため、導電率が高くなる分子ですが、もうそこで、私たちは、分子自体を別EO分子の入っていないクラッドば1つは、屈折率が高まっても、導電のポリマーの側鎖につける方法を採かりに電場がかかることになります。

率が高くならない分子を使います。

用しました。このポリマーは室温でこれでは分子の向きは揃えられませこれらを混ぜて使うことにより、屈は硬いのですが、温度を上げるとゴん。

折率のコントラストと導電率のコンム状になり、そこに強い電圧をかけることによって分子の向きを揃えて、その状態で冷やすと向きを固定できるのです。
導波路には屈折率の高い部分と低い部分を作らなければなりません。
有機EOコアの部分は屈折率が高く、光が通る場所で、これを屈折率の低いクラッドという部分で覆うことで、光を全反射させ、光の通路とします。

図２：代表的な電気光学材料の比較。ニオブ酸リチウムは電気光学効果が小さいため、十分に屈折率を変えるためには、比較的長い導波路が必要になる。一方、有機色素は電気光学効果が大きいため、短い導波路で済み、デバイスの小型化も期待できる。また、ネットワーク速度を左右する応答速度も有機色素のほうがはるかに速く、100Gbps を超える通信が可能になる。

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図 3：有機 EO 分子の基本構造。強い双極子モーメントをもった構造であるため、有機色素を分子のまま使うと、ペアで結合してしまう。そのため、ポリマーの側鎖に結合させることが必要。

図 4：有機 EO ポリマーを用いた光変調器の断面と構造。有機 EO ポリマーはデバイス全体に分布しているが、導波路の片側にのみ電極が付けられ、EO 素子としての役割が付加されている。

について、EO効果との関連性を調べました。そして、開発した分子は、分子内に水素結合ができるためにπ共役構造が安定化しており、ドナートラストを理想的な形にできるようは有機合成のスペシャリストがいま性の強化に加えて、このことも大きになりました。

すので、分子構造のアイデアをすぐなEO効果をもたらす要因であるこに具現化できることから、方針転換とがわかりました。ドナー性の強化

Q：有機EO分子はどのように開発にも即座に対応できる体制が整ってに方針転換して行った方法が、結局したのですか。

いました。

当初の目的であったπ共役構造の安大 友：6年 前 か ら 有 機EO材 料 の 開ワシントン大学のラリー・ダル発に挑戦してきましたが、はじめはト ン 博 士 が 発 見 し た 有 機EO分 子定化をも同時にもたらす一挙両得の結果となりました。

π共役構造の改変に取り組みました。 「FTC」は、これまで発見されたど私は20年ほど前にも有機非線形光の分子よりもEO効果が高く、EOデ

Q：有機材料によって光通信はどの学デバイスの研究を行っていたのでバイスを飛躍的に進歩させました。

ように変わっていくのでしょうか。

すが、そのときから強固なπ共役構

私たちはこの研究をもとにFTCを作

大友：有機材料で作られるデバイス

造の重要性に着目していたからです。

り、ドナーの部分に置換基を付加の特徴として注目すべき点は、デバ

しかし、なかなか大きな成果は得らして、さらにEO効果を高めることイスを多層化して集積ができる点でれませんでした。転機が訪れたのはを目指しました（図5）。これにより、す。
現在、小金井にある光ネットワー

数年前で、ドナーの部分が20年前元のFTCと比べ、1.3倍のEO効果をク研究所と連携したプロジェクトで、からほとんど変わっていないことにもつ分子を作ることに成功しました。

マルチコアファイバーを使って電線気づき、ドナー部分の改変に方針をその後、様々なπ共役構造の分子にを束ねるように伝送しようという考変更したのです。私たちのチームに同様の改変を行い約100種類の分子えが出てきました。
従来は、波長を多重にして1つのファイバーの中に詰め込んで、一度に伝送していました。しかし、多くの波長を詰め込むと、光エネルギー

図 5：FTC にドナー性の置換基を付加した。
左側が電子供与基（ドナー）で、右側が電子受容基（アクセプター）。ドナー端がポリマーと結合する。R1 部位に置換基を付けることで、電子供与性の強さを高められる。

6KARC FRONT vol.26 2013 SPRING

特集：次世代 EO 素子開発の最前線 1によってファイバーが溶けてしまうという問題が顕在化するようになり、1つのファイバーに詰め込むという考え方から転換を迫られています。
マルチコアファイバーは、光の通るファイバーのコアを複数作り、マルチコアという形で伝送することで、光ネットワークの容量をさらに大きくすることができると考えています。
マルチコアファイバーを通る光信号の経路をスイッチする必要がありますが、これまでのスイッチではシングルコアファイバーにしか対応していないため、現在はマルチコアからシングルコアに変換してからスイッチするしかありません。
有機EO材料で多層化したスイッチングデバイスが出来れば、マルチコアファイバーのままスイッチすることが可能になり、マルチコアファ

図 6：電気ルータと光ルータの模式図。光ルータは、光信号を光信号のままスイッチングできる。
完全に光だけでスイッチングできるルータは、光回路の実現を待たなければならない。

イバー通信という新しいシステムによる大容量化が現実的なものになります。すべてを光信号のみで制御すす。現在はボード間からボード内ます。

ることが理想ですが、光コンピューチップ間の配線の光化が進んでおり、また現在、光の経路を割り振るタがまだできていませんので、まず将来のチップ内コア間の光配線に向ときに、光信号のままスイッチすは光の行き先の制御には電気信号をけての研究が盛んになっています。

る「オール光化」というプロジェク使う技術が開発されています（図6）。

チップ内の光配線では、シリコントが進められています。現在の光通

このスイッチに、有機EOデバイスを使った光回路が使われますが、シ信のルータは、光信号をフォトダイを用いることで、さらに高速で低消リコンだけではスイッチングの性能オードで受けて電気信号に変換し、費電力なシステムにすることが可能が不足していることから、スイッチ行き先を電気ルータでスイッチしたになります。

ング性能が高い有機EO材料との組み合せが解決策の1つとして注目さ後、光変調器によって再び電気信号他のネットワークに関連する問題を光信号へ変換しています。この電として、データセンターでの消費電気←→光の変換時にはかなりのエネ力の爆発的な増大の問題があります。

私たちも、有機EOデバイスによルギーロスがあり、スピードも遅くデータセンターでは大量のデータをる基幹ネットワークの超高速光変調なってしまいます。そこで、光信号扱うことからデータ通信の高速大容の研究に加えて、有機EO材料とシを電気信号に変換せず、光信号のま量化も求められており、この需要をリコンナノ構造とを組み合わせた超ま行き先をスイッチすることができ満たしつつ消費電力を下げるために小型の超高速光変調デバイスの研究る「光ルータ」の開発が行われていデータ配線の光化が進められていま開発を行っていきます。

れています。

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