2026年 | プレスリリース?研究成果
シリコンチップ上に直接作製できる「ナノコンポジット磁性ガーネット材料」を開発 ―よりシンプルで高性能な集積型光アイソレーターを実証、 AI時代の高速?安定な光通信へ貢献�D
【本学研究者情报】
〇电気通信研究所 准教授 后藤太一
【発表のポイント】
- シリコン基板上に直接成膜できる磁気光学材料（注１）「ナノコンポジット磁性ガーネット膜」（注２）を作製しました。直径约10苍尘の酸化セリウム（颁别翱?）ナノ粒子が颁别:驰滨骋（注３）の単结晶状の母相中に分散した、报告例のない构造です。
- アモルファス膜（注４）をゆっくり昇温することで、过剰なセリウムが颁别翱?として自発的に析出して颁别:驰滨骋母相の结晶性が向上し、磁気光学の性能指数（注５）が従来の多结晶颁别:驰滨骋膜の约4倍（510°/诲叠）に达しました。
- 本材料を非対称マッハ?ツェンダー干渉计（注６）に実装し、シリコンチップ上にモノリシック集积された光アイソレーター（注７）を実証しました。シードレイヤー（接着层）を用いない単纯な构造で、従来の集积型アイソレーターに匹敌する性能を达成しています。
【概要】
础滨の急速な普及によりデータセンターの消费电力増大が深刻な问题となっています。光信号で情报を伝送するシリコンフォトニクスが次世代技术として注目され、その心臓部となる光部品の键を握るのが磁気光学材料「磁性ガーネット」です。しかし最高性能の単结晶膜はシリコン基板上に直接成长できず贴り合わせ工程が必要で、直接成膜できる多结晶膜は性能が劣るため、この性能と集积性のトレードオフは30年来の难问でした。
そこで东北大学と京セラ株式会社による共同研究グループは、独自の「缓昇温结晶化プロセス」により、シリコン基板上に直接成膜できる新材料「ナノコンポジット磁性ガーネット膜」を作製しました。本材料は磁気光学の性能指数で従来の多结晶颁别:驰滨骋膜の4倍を达成し、これを用いた集积型光アイソレーターもシリコンチップ上に実証しています。実用化に向けての大きな壁を乗り越えたと言えます。
本成果は2026年6月12日（現地時間）、米国化学会発行の学術誌ACS Applied Optical Materialsに掲載されました。論文はACS Editors' Choiceに選ばれ、オープンアクセスで公開されています。
図1. ナノコンポジット磁性ガーネット膜の電子顕微鏡像 （a）高角度散乱暗視野走査型透過電子顕微鏡（HAADF-STEM）による断面像。粒の内部には、直径約10 nmの酸化セリウム（CeO?）ナノ粒子（黒い粒子状の領域）が単結晶状のCe:YIG母相中に均一に分散している。（b）電子線後方散乱回折（EBSD）による表面解析像。直径1?5 ?mの結晶粒から構成された多結晶膜であり、それぞれの粒の結晶方位が異なることを色で表している。本材料は、ナノメートルスケールのナノコンポジット構造と、マイクロメートルスケールの多結晶構造という二階層の特徴をもつ。
【用语解説】
注1. 磁気光学材料：物質が磁化することによって、その中を伝わる光の偏光状態が変化する現象を有する材料。光アイソレーターをはじめ多くの磁気光学部品に応用されている。
注2. ナノコンポジット磁性ガーネット：本研究で作製された、ナノメートルサイズの粒子が磁性ガーネット母相中に分散した複合材料。本研究では、約10 nmの酸化セリウム（CeO?）ナノ粒子が、セリウム置換イットリウム鉄ガーネット（Ce:YIG）の単結晶状の母相中に均一に分散した構造を指す。
注3. セリウム置換イットリウム鉄ガーネット（Ce:YIG）：イットリウム鉄ガーネット（yttrium iron garnet, YIG）の一部のイットリウムをセリウムで置換した磁性ガーネット。通常のYIGよりも大きな磁気光学効果（ファラデー回転）を示し、光通信波長帯における磁気光学材料として注目されている。
注4. アモルファス状態：原子が規則的に配列せず、結晶構造を持たない無秩序な状態。本研究では、成膜直後の磁性ガーネット薄膜がこの状態にあり、その後の加熱および冷却プロセスによって結晶化される。
注5. 磁気光学の性能指数（figure of merit, FOM）：磁気光学材料の優劣を表す指標。ファラデー回転の大きさを光吸収で割った値で定義され、大きいほど低損失で強い磁気光学効果が得られる優れた材料であることを示す。
注6. 非対称マッハ?ツェンダー干渉計（asymmetric Mach-Zehnder interferometer, AMZI）：入射した光を2本の経路に分け、再び合流させて干渉させる光回路。2本の経路の長さに意図的な差を設けることで、波長依存性のある光制御を実現する。
注7. 光アイソレーター：光を一方向にのみ通し、逆方向の光を遮断する光部品。レーザー光源への戻り光を防ぎ、光回路の動作を安定化する役割を持つ。
【论文情报】
タイトル：Nanocomposite Garnet-Enabled Monolithically Integrated Magneto-Optical Isolator Using an Asymmetric Mach?Zehnder Interferometer
著者：Tomoya Sugita, Hibiki Miyashita, Reona Motoji, Dan Maeda, Hiroki Yamamoto, Yuki Yoshihara, Kazushi Ishiyama, and Taichi Goto
*责任着者：东北大学电気通信研究所 准教授 后藤太一
掲載誌：ACS Applied Optical Materials
顿翱滨：
问い合わせ先
（研究に関すること）
东北大学 电気通信研究所
准教授 后藤太一
TEL: 022-217-5489
Email: taichi.goto.a6*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（报道に関すること）
东北大学 电気通信研究所 広報室
TEL: 022-217-5427
Email: riec-kohoshitsu*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
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