赤外光をリアルタイムで制御する新手法を開発(A new way to control infrared light in real time)

2026-09-10 スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)

EPFL(スイス連邦工科大学ローザンヌ校)の研究チームは、中赤外線(mid-IR)をリアルタイムかつ高速に制御できる、超薄型シリコン・メタサーフェスを開発した。従来のメタサーフェスは製造後の光学特性が固定されるのが課題だったが、研究チームは空中に懸架した結晶シリコン膜に移動可能な電荷を発生させることで、物理構造を変えずに光への応答を動的に変化させた。電極を用いたマイクロヒーターでは毎秒数千回、超高速レーザーパルスではナノ秒単位で制御できる。さらに、従来の同種の中赤外線プラットフォームを大幅に上回る光学性能を実現し、半導体の大規模製造技術との互換性も確保した。自由空間光通信、適応型の化学・生体センシング、放射冷却、衛星の熱管理、量子分光などへの応用が期待される。

赤外光をリアルタイムで制御する新手法を開発(A new way to control infrared light in real time)
Image of wafer-scale membranes made up of 1 cm × 1 cm chips, each containing 7 × 7 metasurfaces. EPFL BIOS CC BY SA 4.0

<関連情報>

動的に調整可能な超高Qシリコン膜メタサーフェスによって実現される中赤外線光変調器 Mid-IR light modulators enabled by dynamically tunable ultra-high-Q silicon membrane metasurfaces

Felix Ulrich Brikh,Aleksei Ezerskii,Olesia Pashina,Nikita Glebov,Wenhong Yang,Wenping Yin,Sergey V. Makarov,Mihail Petrov,Ivan Sinev & Hatice Altug
Nature Communications  Published:17 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75121-6

Abstract

Metasurfaces enable subwavelength control of free-space light for applications in sensing, nonlinear optics, and quantum photonics. However, their practical deployment is hindered by two key limitations: a tradeoff between low-Q resonances and weak amplitude contrast, and their predominantly static nature allowing only passive functionalities. These challenges are particularly severe in the mid-infrared (mid-IR), where the scarcity of low-loss materials constrains performance and scalability. Here, we demonstrate actively tunable single-crystalline silicon membrane metasurfaces combining high-Q resonances, strong amplitude contrast, and wafer-scale manufacturability. Our platform achieves record-high measured Q-factors up to 3000 in the mid-IR and supports two dynamic modulation schemes: electro-thermal tuning via Joule heating with  >50% modulation depth at CMOS-compatible voltages and speeds up to 14.5 kHz, and ultrafast all-optical modulation via carrier generation in silicon with nanosecond response times and estimated sub-GHz rates. These results establish silicon membrane metasurfaces as a scalable platform for active mid-IR photonics.

0403電子応用
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