低電圧駆動アクティブメタサーフェスを実証~わずか1 Vで反射光を高速に変調するメタ表面を実現~

2025-09-11 東京大学

東京大学大学院工学系研究科の相馬豪大学院生、種村拓夫教授らの研究チームは、低電圧で動作可能なアクティブメタサーフェスを実証しました。光の波長以下の微細構造をもつシリコン格子と有機電気光学材料を組み合わせ、構造の対称性を意図的に崩すことで入射光を強く閉じ込め、1 V以下の低電圧で反射光の強度を高速に変調することに成功しました。その結果、厚み1 µm以下・10 µm角の小型素子で毎秒1.6ギガビットのデータ変調を達成。従来の数十Vが必要なデバイスに比べて、変調電圧を大幅に低減しつつ高効率・高速動作を可能にしました。この成果により、CMOS回路による直接駆動が可能となり、2次元並列化を通じて大容量自由空間光通信や高速ビーム走査デバイスなどへの応用が期待されます。研究成果は2025年9月11日付で国際誌「Nature Nanotechnology」に掲載されました。

低電圧駆動アクティブメタサーフェスを実証~わずか1 Vで反射光を高速に変調するメタ表面を実現~
アクティブメタサーフェスの模式図

<関連情報>

サブボルト高速自由空間変調器:電気光学メタサーフェスを用いた Subvolt high-speed free-space modulator with electro-optic metasurface

Go Soma,Koto Ariu,Seidai Karakida,Yusuke Tsubai & Takuo Tanemura
Nature Nanotechnology  Published:10 September 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-025-02000-4

Abstract

Active metasurfaces incorporating electro-optic materials enable high-speed free-space optical modulators that show great promise for a wide range of applications, including optical communication, sensing and computing. However, the limited light–matter interaction lengths in metasurfaces typically require high driving voltages exceeding tens of volts to achieve satisfactory modulation. Here we present low-voltage, high-speed free-space optical modulators based on silicon-organic-hybrid metasurfaces with dimerized-grating-based nanostructures. By exploiting a high-Q resonant mode, normally incident light is effectively trapped within a submicrometre-scale silicon slot region embedded with organic electro-optic material. Consequently, highly efficient modulation is obtained, enabling data transmission at 50 Mbps and 1.6 Gbps with driving voltages of only 0.2 V and 1 V, respectively. These metasurface modulators can now operate at complementary metal–oxide–semiconductor-compatible voltage levels, allowing energy-efficient high-speed practical applications of active metasurfaces.

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