Study of continuous-mode optical buffer on non-Hermite topological resonator

• Project/Area Number: 23K13682
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 鴻池 遼太郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (20807557)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2024: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
• Keywords: シリコンフォトニクス / トポロジカルフォトニクス / 光集積回路 / 非エルミートフォトニクス / 光バッファ

Outline of Research at the Start

光を保存する光バッファを小型デバイスとして実現することは、データセンターにおける電子パケット通信の光への置き換えによる超低消費電力化や光による計算アクセラレータデバイスなどの実現につながり、大きなブレークスルーとなることが期待される。一方で小型の光共振構造による光バッファは干渉効果を利用するため帯域が狭いといった課題がある。本研究では光媒質中に増幅・減衰媒質が同時に存在する際に生じる非エルミートスキン効果に着目し、同効果に基づくループ構造を用いた新たな光集積デバイスを提案する。最終的に、提案するデバイスを用いた連続的かつ広帯域な光バッファの実現について検討を行う。

Outline of Annual Research Achievements

光バッファの実現は、低消費電力な光通信等で用いることができるため重要な課題であるが、光共振器に基づく光バッファは帯域が限られるといった課題を持っている。近年、トポロジー的手法、中でも非エルミートスキン効果(NHSE)による光閉じ込めが注目を集めている。NHSEを用いるとバルク中の連続的なモードに光を閉じ込められるため、帯域に制限されない新たな光バッファが実現できる可能性がある。本研究の1年目として、上記のようなNHSE効果に基づく光バッファの原理についてシミュレーションを用いた検討を行ったほか、実験に用いる光回路として32ポート光集積回路を設計した。
シミュレーションにおいては、光回路上に多段の可変ビームスプリッタを配置することを考え、転送行列法によって光の伝搬の様子を解析した。結果として、理論的に予測される通り励振条件によって複数のモードを閉じ込められることを明らかにした。また、系の境界条件として開放系と周期境界条件の2種類を検討し、バンド構造の計算を行った。
光回路の設計においては、初期検討としてエルビウム添加光ファイバ(EDFA)による増幅現象を利用するため、光ファイバとシリコン光回路の接続部品（スポットサイズコンバータ）、偏波スプリッタ、熱光学効果による可変スプリッタを設計し、32ポートを持つテスト光回路を構成した。テスト光回路の入出力ポートのピッチを光ファイバアレイのピッチと一致させることで、光ファイバアレイによる入出力を可能とした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究1年目においては提案する光デバイスの特性をシミュレーションにより明らかにするものとしていた。本研究では、転送行列法によって光回路を伝搬する光のシミュレーションを行い、増幅媒質がある場合とない場合の2パターンについて光の伝搬の様子を解析した。その結果、理論的に予想された通り、複数のモードを閉じ込めることが可能であることが明らかになった。また、EDFAを用いた実証のためのデバイス設計も進めることができ、おおむね順調に研究が進展している。一方で、周回長と帯域の関係や、増幅媒質の雑音の影響等についての検討ができていないため、引き続き次年度での検討を行うことを予定している。

Strategy for Future Research Activity

研究２年目においては、引き続きシミュレーションを用いて周回長と波長帯域の関係を明らかとするほか、増幅媒質の雑音指数の影響についても解析を行う。また、昨年度設計した光回路の試作を行い、初期的な実験データを得ることを目指す。実験においては、簡易的な光データの保存／再生についても検討する予定である。また、小型集積化の検討としてSOAチップとシリコン光回路の光学的結合に挑戦する。これにより、小型かつ広帯域な光バッファ技術の基礎実証が可能であると期待される。