省電力光ルータの実現に向けた新規光論理ゲートの提案とその解析設計理論の構築

• Project/Area Number: 12J02493
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Electron device/Electronic equipment
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 石坂 雄平 北海道大学, 情報科学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2013: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2012: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 集積光デバイス / 光導波路 / 光論理ゲート / 有限要素法 / フォトニック結晶 / 表面プラズモンポラリトン / フォトニック結晶ナノ共振器 / 非線形光学効果 / シリコンフォトニクス / 光集積回路 / 表面プラズモン / スローライト / スロット導波路

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，2次元フォトニック結晶ナノ共振器における非線形光学現象に着目することで，集積化，高速動作および低消費電力を同時に満足する光論理ゲートの基盤研究を推進することを目的としている．
低消費電力な光論理ゲートを構成するためには，高いQ値かつ小さいモード体積をもつ光共振器を構成する必要がある．そうすることで共振器中の光と物質の相互作用が高まり，非線形光学効果を増強することができる．前年度までの研究では，微小光共振器を高精度に解析可能な3次元ベクトル有限要素法を開発するとともに，極めて小さいモード体積を達成する光共振器として，金属壁と1次元フォトニック結晶で挟み込んだ表面プラズモン共振器構造を提案した．次の段階として，このような微小共振器を多段に接続した導波路の非線形光学特性を厳密に評価可能な手法の構築が必要となる．そこで本年度の研究では，周期構造における非線形光学効果を評価するために，非線形モード解析のための3次元ベクトル有限要素法を開発した．さらに，計算コストを削減可能な非線形定数の評価手法を提案し，非線形モード解析のための3次元ベクトル有限要素法による結果とよく一致していることを示した．また，本年度の研究では，金属アシスト型シリコンスロット導波路を提案し，金属層を用いない従来のスロット導波路に比べ，低屈折率領域の光閉じ込め係数を2倍程度に向上できることを示した．スロット導波路の低屈折率層に非線形光学係数の高い材料を用いることで非線形光学効果を増強できることが知られていることから，従来構造を提案構造に置き換えることで，さらなる非線形光学効果の向上が期待される．このような知見は低消費電力光論理ゲートの高性能化において有用であると考えられる．

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] PLC-based LP11 mode rotator for mode-division multiplexing transmission (2014)
  • Author(s): Kunimasa Saitoh
  • Journal Title: Optics Express Volume: 22 Issue: 16 Pages: 19117-19130
  • DOI: 10.1364/oe.22.019117
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional finite-element mode solver for nonlinear periodic optical waveguides and its application to photonic crystal waveguides (2014)
  • Author(s): Takanori Sato
  • Journal Title: IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology Volume: 32 Issue: 21 Pages: 3409-3417
  • DOI: 10.1109/jlt.2014.2344731
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultra-broadband silicon-wire polarization beam combiner/splitter based on a wavelength insensitive coupler with a point-symmetrical configuration (2014)
  • Author(s): Takui Uematsu
  • Journal Title: IEEE Photonics Journal Volume: 6 Issue: 1 Pages: 4500108-4500108
  • DOI: 10.1109/jphot.2014.2302808
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Slow light enhanced nonlinear characteristics in slot waveguides composed of photonic crystal nanobeam cavitiesIEEE Photonics Journal (2013)
  • Author(s): Shuntaro Makino
  • Journal Title: IEEE Photonics Journal Volume: 5 Issue: 2 Pages: 2700309-2700309
  • DOI: 10.1109/jphot.2013.2246557
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Proposal of coupled ring resonator based on one-dimensional photonic crystal nanocavity (2013)
  • Author(s): Shuntaro Makino
  • Journal Title: IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology Volume: 31 Issue: 15 Pages: 2565-2569
  • DOI: 10.1109/jlt.2013.2269994
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transmission-efficient structures of bent and crossing silicon slot waveguides (2013)
  • Author(s): Yuhei Ishizaka
  • Journal Title: IEEE Photonics Journal Volume: 5 Issue: 5 Pages: 6601809-6601809
  • DOI: 10.1109/jphot.2013.2281975
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Slow-Light-Enhanced Nonlinear Characteristics in Slot Waveguides Composed of Photonic Crystal Nanobeam Cavities (2013)
  • Author(s): Shuntaro Makino
  • Journal Title: IEEE Photonic Journal Volume: 5 Pages: 2700309-2700309
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of a compact two-mode multi/demultiplexer consisting of multimode interference waveguides and a wavelength-insensitive phase shifter for mode-division multiplexing transmission (2012)
  • Author(s): Takui Uematsu
  • Journal Title: IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology Volume: 30 Issue: 15 Pages: 2421-2426
  • DOI: 10.1109/jlt.2012.2199961
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Three-dimensional finite-element solutions for crossing slot-waveguides with finite core-height (2012)
  • Author(s): Yuhei Ishizaka
  • Journal Title: IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology Volume: 30 Issue: 21 Pages: 3394-3400
  • DOI: 10.1109/jlt.2012.2217478
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 金属アシスト型シリコンスロット導波路におけるセンサ感度の評価 (2015)
  • Author(s): 石坂 雄平
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学 (神奈川県)
  • Year and Date: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [Presentation] 周期構造光導波路における非線形定数γの算出法に関する検討 (2015)
  • Author(s): 佐藤 孝憲
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
  • Place of Presentation: 立命館大学 (滋賀県)
  • Year and Date: 2015-03-10 – 2015-03-13
• [Presentation] フルベクトル有限要素ビーム伝搬法に基づく波面整合法 (2015)
  • Author(s): 牧野 俊太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
  • Place of Presentation: 立命館大学 (滋賀県)
  • Year and Date: 2015-03-10 – 2015-03-13
• [Presentation] シリカ系光導波路に接続された4モード光ファイバの励振特性に関する検討 (2014)
  • Author(s): 石坂 雄平
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 徳島大学 (徳島県)
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-26
• [Presentation] 1-D PC-CROWと直線導波路の高効率接続のためのテーパ導波路に関する検討 (2014)
  • Author(s): 牧野 俊太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 徳島大学 (徳島県)
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-26
• [Presentation] S字曲げ方向性結合器を用いた偏波スプリッタの設計 (2014)
  • Author(s): 北山 哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 徳島大学 (徳島県)
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-26
• [Presentation] ハイブリッドプラズモニック導波路に基づくフォトニック-プラズモニックモード変換器の設計 (2014)
  • Author(s): 長井 優
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 徳島大学 (徳島県)
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-26
  • Invited
• [Presentation] Strong light confinement in a metal-assisted silicon slot waveguide (2014)
  • Author(s): Yuhei Ishizaka
  • Organizer: OptoElectronics and Communications Conference and Australian Conference on Optical Fiber Technology
  • Place of Presentation: melbourne convention and exhibition centre (Australia)
  • Year and Date: 2014-07-06 – 2014-07-10
• [Presentation] Investigation of nonlinear characteristics in CROW based on horizontally slotted nanobeam cavity (2014)
  • Author(s): Shuntaro Makino
  • Organizer: OptoElectronics and Communications Conference and Australian Conference on Optical Fiber Technology
  • Place of Presentation: melbourne convention and exhibition centre (Australia)
  • Year and Date: 2014-07-06 – 2014-07-10
• [Presentation] Investigation of nonlinear characteristics in a1-D slotted photonic crystal coupled resonator optical waveguide with modulated mode-gap (2014)
  • Author(s): Takanori Sato
  • Organizer: OptoElectronics and Communications Conference and Australian Conference on Optical Fiber Technology
  • Place of Presentation: melbourne convention and exhibition centre (Australia)
  • Year and Date: 2014-07-06 – 2014-07-10
• [Presentation] プラズモニック導波路における金属アシストフォトニックモードの利用 (2014)
  • Author(s): 石坂 雄平
  • Organizer: 電子情報通信学会 光エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: リゾーピア熱海 (静岡県)
  • Year and Date: 2014-04-24 – 2014-04-25
• [Presentation] 1-D PC-CROWの設計とその非線形特性調査 (2014)
  • Author(s): 牧野 俊太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会 光エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: リゾーピア熱海 (静岡県)
  • Year and Date: 2014-04-24 – 2014-04-25
• [Presentation] フォトニック結晶結合共振器型光導波路の非線形特性調査 (2014)
  • Author(s): 佐藤 孝憲
  • Organizer: 電子情報通信学会 マイクロ波・ミリ波フォトニクス究会
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター (北海道)
  • Year and Date: 2014-04-17
• [Presentation] 横スロット導波路に基づく1-D PC-CROWの提案 (2014)
  • Author(s): 牧野 俊太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会 総合大会
  • Place of Presentation: 新潟大学(新潟県)
  • Year and Date: 2014-03-18
• [Presentation] ハイブリッドプラズモニック導波路に基づくフォトニック-プラズモニックモード変換器の提案 (2014)
  • Author(s): 長井 優
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
  • Place of Presentation: 新潟大学(新潟県)
  • Year and Date: 2014-03-18
• [Presentation] 3次元有限要素モードソルバによる1-D PC-CROWの非線形特性調査 (2014)
  • Author(s): 佐藤 孝憲
  • Organizer: 電子情報通信学会 総合大会
  • Place of Presentation: 新潟大学(新潟県)
  • Year and Date: 2014-03-18
• [Presentation] PLC-type LP11 mode rotator with single-trench waveguide for mode-division multiplexing transmission (2014)
  • Author(s): Takui Uematsu
  • Organizer: Optical Fiber Communication Conference and National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC)
  • Place of Presentation: San Francisco (USA)
  • Year and Date: 2014-03-13
• [Presentation] Structural dependence of nonlinear characteristics in coupled resonator optical waveguides based on slotted nanobeam cavities (2013)
  • Author(s): Shuntaro Makino
  • Organizer: Frontiers in Optics 2013/Laser Science XXIX (FiO/LS)
  • Place of Presentation: Orlando (USA)
  • Year and Date: 2013-10-09
• [Presentation] モード多重伝送のための平面光導波路型モード合分波器の広帯域化に関する検討 (2013)
  • Author(s): 植松 卓威
  • Organizer: 電子情報通信学会 ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 福岡工業大学(福岡県)
  • Year and Date: 2013-09-20
• [Presentation] 非主要電界成分と結合したプラズモニックモードに関する検討 (2013)
  • Author(s): 石坂 雄平
  • Organizer: 電子情報通信学会 ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 福岡工業大学(福岡県)
  • Year and Date: 2013-09-19
• [Presentation] 一様なシリカ層を有するハイブリッドプラズモニック導波路を用いたモード変換器の提案 (2013)
  • Author(s): 長井 優
  • Organizer: 電子情報通信学会 ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 福岡工業大学(福岡県)
  • Year and Date: 2013-09-19
• [Presentation] 位相情報に基づくAND光論理ゲートの設計 (2013)
  • Author(s): 北山 哲也
  • Organizer: 電子情報通信学会 ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 福岡工業大学(福岡県)
  • Year and Date: 2013-09-17
• [Presentation] スロットナノビーム共振器に基づく結合共振器導波路の非線形特性調査 (2013)
  • Author(s): 牧野 俊太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会 ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 福岡工業大学(福岡県)
  • Year and Date: 2013-09-17
• [Presentation] Surface plasmon nanocavities composed of metallic wall and 1-D photonic crystal (2013)
  • Author(s): Yuhei Ishizaka
  • Organizer: IEEE Photonics Conference (IPC)
  • Place of Presentation: Seattle (USA)
  • Year and Date: 2013-09-12
• [Presentation] 一様なシリカ層を有するハイブリッドプラズモニック導波路の基本特性に関する調査 (2013)
  • Author(s): 長井 優
  • Organizer: 電子情報通信学会 光エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: サンリフレ函館(北海道)
  • Year and Date: 2013-08-30
• [Presentation] Metallic wall-based plasmon nanocabities with 1-D photonic crystals (2013)
  • Author(s): Yuhei Ishizaka
  • Organizer: IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting
  • Place of Presentation: Hawai (USA)
  • Year and Date: 2013-07-10
• [Presentation] A proposal of coupled resonator optical waveguides based on slotted nanobeam cavities (2013)
  • Author(s): Shuntaro Makino
  • Organizer: IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting
  • Place of Presentation: Hawai (USA)
  • Year and Date: 2013-07-09
• [Presentation] Structural dependence of nonlinear characteristics in slot waveguides composed of photonic crystal nanobeam cavities (2013)
  • Author(s): Shuntaro Makino
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR)
  • Place of Presentation: Kyoto (Japan)
  • Year and Date: 2013-07-02
• [Presentation] Propagation length and coupling characteristics of a hybrid plasmonic waveguide with a uniform silica layer (2013)
  • Author(s): Masaru Nagai
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR)
  • Place of Presentation: Kyoto (Japan)
  • Year and Date: 2013-07-02
• [Presentation] 3次元ベクトル有限要素法の開発とその光導波路・共振器解析への応用 (2013)
  • Author(s): 石坂 雄平
  • Organizer: 電子情報通信学会 光エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: リゾーピア熱海(静岡県)
  • Year and Date: 2013-04-25
• [Presentation] 1-D PC-CROWに基づくスロット導波路における非線形特性調査 (2013)
  • Author(s): 牧野俊太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会 総合大会
  • Place of Presentation: 岐阜大学(岐阜県)
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] 一様なシリカ層を有するハイブリッドプラズモニック導波路の結合特性評価 (2013)
  • Author(s): 長井優
  • Organizer: 電子情報通信学会 総合大会
  • Place of Presentation: 岐阜大学(岐阜県)
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] 3次元ベクトル有限要素法によるスロット交差導波路解析 (2013)
  • Author(s): 石坂雄平
  • Organizer: 電子情報通信学会 総合大会
  • Place of Presentation: 岐阜大学(岐阜県)
  • Year and Date: 2013-03-20
• [Presentation] 金属壁とフォトニック結晶で挟み込んだ表面プラズモン共振器の3次元ベクトル有限要素解析 (2013)
  • Author(s): 石坂雄平
  • Organizer: 電子情報通信学会 エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府)
  • Year and Date: 2013-01-25
• [Presentation] 一様なシリカ層を有するハイブリッドプラズモニック導波路の伝搬長評価 (2012)
  • Author(s): 長井優
  • Organizer: 電気・情報関係学会北海道支部連合大会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道)
  • Year and Date: 2012-10-21
• [Presentation] フォトニック結晶微小共振器解析のための3次元ベクトル有限要素法 (2012)
  • Author(s): 石坂雄平
  • Organizer: 電子情報通信学会 ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2012-09-13
• [Presentation] 広帯域点対称MZI型偏波スプリッタの設計 (2012)
  • Author(s): 植松卓威
  • Organizer: 電子情報通信学会 ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2012-09-13
• [Presentation] 1次元フォトニック結晶結合共振器導波路の非線形特性評価 (2012)
  • Author(s): 牧野俊太郎
  • Organizer: 電子情報通信学会 ソサイエティ大会
  • Place of Presentation: 富山大学(富山県)
  • Year and Date: 2012-09-13
• [Presentation] フォトニック結晶微小共振器設計のための3次元ベクトル有限要素法ソルバの開発 (2012)
  • Author(s): 石坂雄平
  • Organizer: 電子情報通信学会 エレクトロニクスシミュレーション研究会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道)
  • Year and Date: 2012-07-27
• [Presentation] Transmission characteristics of crossing slot-waveguides with finite core-height (2012)
  • Author(s): Yuhei Ishizaka
  • Organizer: Opto Electronics and Communications Conference
  • Place of Presentation: BEXCO (Korea)
  • Year and Date: 2012-07-06
• [Remarks] 研究室のwebページ
  • URL: http://icp.ist.hokudai.ac.jp
• [Remarks] 個人のwebページ
  • URL: http://y-ishizaka.net
• [Remarks]
  • URL: http://y-ishizaka.net/
• [Remarks]
  • URL: http://www.ist.hokudai.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: http://y-ishizaka.net/
• [Remarks]
  • URL: http://www.ist.hokudai.ac.jp/