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Development and application of compound semiconductor monolithic advanced unitary conversion photonic integrated circuits

Research Project

Project/Area Number 23H00272
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
Research InstitutionToyota Technological Institute (2025)
The University of Tokyo (2023-2024)

Principal Investigator

中野 義昭  豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50183885)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 杉山 正和  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90323534)
種村 拓夫  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90447425)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2028-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2025)
Budget Amount *help
¥46,540,000 (Direct Cost: ¥35,800,000、Indirect Cost: ¥10,740,000)
Fiscal Year 2025: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2024: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,140,000 (Direct Cost: ¥7,800,000、Indirect Cost: ¥2,340,000)
Keywords光集積回路 / ユニタリ変換 / InP / モノリシック / 光コンピューティング / 線形演算
Outline of Research at the Start

これまでの光ユニタリ変換回路の大規模化上の課題であった過剰損失を化合物半導体能動素子集積によって克服した,真のユニタリ性を有するスケーラブルでロバストな高度ユニタリ変換光集積回路を研究開発し,光ファイバ通信および光コンピューティングに応用することを通じて,任意の線形行列演算を光領域で超高速・低消費電力に行なう画期的な技術基盤を社会に提供することを目的とする.具体的には,InP系能動素子・受動素子一体集積プロセス技術を進化させ,従来の受動光ユニタリ変換回路への増幅性能動素子の一体集積化を可能にし,正味損失のない真のユニタリ演算を大規模に実行できる次世代光集積回路の試作実証を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

本研究では,これまでの光ユニタリ変換回路の大規模化上の課題であった過剰損失を化合物半導体能動素子集積によって克服した,真のユニタリ性を有するスケーラブルでロバストな高度ユニタリ変換光集積回路を研究開発し,光ファイバ通信および光コンピューティングに応用することを通じて,任意の線形行列演算を光領域で超高速・低消費電力に行なう画期的な技術基盤を社会に提供することを目的としている.2023年度は以下に述べる成果を挙げた.
本研究独自の多面光波変換型光ユニタリ変換回路では,2x2のマッハツェンダー干渉計をメッシュ状に接続した従来手法とは異なり,各ミキシング層において全モードが結合することで冗長性が付加される.その結果,作製誤差にほぼ依存しない特性を示し,なおかつ規模の増加とともにそのロバスト性が増強されるという特異なスケーラビリティを有することを明らかにした.実際に多ポート方向性結合器や多モード干渉結合器など,異なる構造を有する光ユニタリ変換回路を各種作製し,いずれも所望の変換特性が得られることを実証した.さらに,多面光波変換型光ユニタリ変換回路の冗長性を深層ニューラルネットワークに活用することで,段数と位相シフタ数を1/10に削減しても同等の学習結果が得られることを示した.これらの性質は,素子の小型化,低消費電力化,低損失化に直結するものであり,実用的な光ユニタリ変換集積回路を実現する有益な手法になることが期待される.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2023年度に生じた予期せぬ事態としては,本研究で使用するInP系半導体の有機金属気相エピタキシャル結晶成長装置が設置されている工学部10号館が耐震補強改修工事の対象となり,2023年8月から約1年間の工事期間中,同結晶成長装置の使用が不可能となったことが挙げられる.このため,予定していた結晶成長および素子の試作が一部実施できなくなった.そこで研究の方向を,理論解析とシリコンフォトニクスによる素子試作実証に一部切り替えた.その結果幸いにも「研究実績の概要」欄に記載の通りの一年目として十分な研究成果を挙げることができたと考えている.2024年度には建物改修工事が終了し,以前の通りに結晶成長が出来る環境が整うものと想定している.

Strategy for Future Research Activity

前記の通り2024年度半ば以降は改修工事が完了し,当初予定のInP系半導体の結晶成長と素子試作が行える環境が回復するものと見込んでいる.工事完了後は速やかにInP系半導体による素子試作を再開し,2023年度に行う予定であった項目および2024年度に行う当初予定の項目を順次遂行し,全体として当初計画に沿った研究を推進して行く所存である.

Report

(2 results)
  • 2023 Comments on the Screening Results   Annual Research Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2023

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (2 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Silicon Photonic Optical Phased Array with Integrated Phase Monitors2023

    • Author(s)
      TAKAHASHI Shun、FUKUI Taichiro、TANOMURA Ryota、KOMATSU Kento、TAGUCHI Yoshitaka、OZEKI Yasuyuki、NAKANO Yoshiaki、TANEMURA Takuo
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Electronics

      Volume: E106.C Issue: 11 Pages: 748-756

    • DOI

      10.1587/transele.2022OCP0003

    • ISSN
      0916-8524, 1745-1353
    • Year and Date
      2023-11-01
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Demonstration of Error-Tolerant Integrated Optical Processors Based on Multi-Plane Light Conversion2023

    • Author(s)
      Tanomura Ryota、Tang Rui、Tanemura Takuo、Nakano Yoshiaki
    • Journal Title

      IEEE Photonics Technology Letters

      Volume: 35 Issue: 23 Pages: 1275-1278

    • DOI

      10.1109/lpt.2023.3315781

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] All-Optical MIMO Demultiplexing Using Silicon-Photonic Dual-Polarization Optical Unitary Processor2023

    • Author(s)
      Tanomura Ryota、Tang Rui、Soma Go、Ishimura Shota、Tanemura Takuo、Nakano Yoshiaki
    • Journal Title

      Journal of Lightwave Technology

      Volume: 41 Issue: 12 Pages: 3791-3796

    • DOI

      10.1109/jlt.2023.3276003

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] スケーラブルなユニタリ変換光回路とその応用2023

    • Author(s)
      種村拓夫, 田之村亮汰, 唐睿, 中野義昭
    • Journal Title

      レーザー研究

      Volume: 51 Pages: 619-623

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 光演算と情報処理に向けたシリコンフォトニクス回路2023

    • Author(s)
      唐睿, 田之村亮汰, 種村拓夫, 岡野誠, トープラサートポンカシディット, 中野義昭, 高木信一, 竹中充
    • Organizer
      電子情報通信学会 光集積及びシリコンフォトニクス研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 多面光変換型ニューラルネットワーク光集積チップの基本特性評価と制御系の構築2023

    • Author(s)
      一野瀬知輝, 田之村亮汰, 種村拓夫, 中野義昭
    • Organizer
      電子情報通信学会 光エレクトロニクス研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2025-06-20  

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