Graphene-based active/passive optical modulators and their applications

• Project Area: Science of Atomic Layer Systems
• Project/Area Number: 16H00902
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山下 真司 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40239968)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2017: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2016: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: グラフェン / 可飽和吸収 / モード同期 / 光変調器 / ファイバレーザ / 光ファイバレーザ / シリコンフォトニクス

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、グラフェンのもつ超広波長帯域かつ光／電気でコントロール可能な光吸収特性を活用した受動／能動光変調器を実現し、その応用を図ることを目標とし、①グラフェンフォトニックデバイス作製　②　高速可飽和吸収を利用した超広波長帯域受動光変調器（受動モード同期素子）とその応用　③　高速電気吸収変化を利用した超広波長帯域能動光変調器とその応用の研究を進めた。
①②についてはデュアルコム分光への応用を目指して、単層グラフェンを巻いた構造であるカーボンナノチューブ(CNT)を用い、波長2μm帯の双方向発振Tmドープ受動モード同期光ファイバレーザの安定な動作を世界で初めて実現した。パルス幅は1.2psで繰り返し周波数約22MHzであり、両周り光の繰り返し周波数差は約600Hzであった。さらに、アデレード大学との共同研究として、波長3.5 μm帯Erドープ光ファイバレーザのグラフェン受動モード同期を分散の制御が不完全ではあるが初めて観測した。
③については、シリコン導波路型グラフェン変調器の高速化を目指し、グラフェンを二重構造にすることで光吸収量を倍増(0.14dB/μm ⇒ 0.28 dB/μm)させることのできる構造を提案するとともに、非常に幅の細いスロット導波路構造にすることで0.6 dB/μmにまで光吸収量を高めることができることをFDMシミュレーションにより世界で初めて見出した。変調器の速度は導波路幅と長さに反比例するため、100GHzを超える超高速の光変調帯域が見込まれる。グラフェン変調器作製については前年度までのコロンビア大学リプソン教授グループとの共同研究を進めるとともに、東京大学合田教授のグループとも共同研究を開始し、東大内での試作を進めた。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロンビア大学(米国)
• [Int'l Joint Research] アデレード大学(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] コロンビア大学(米国)
• [Journal Article] Ultra high-speed graphene optical modulator design based on tight field confinement in a slot waveguide (2018)
  • Author(s): G. Kovacevic, C. Phare, S. Y. Set, M. Lipson and S. Yamashita
  • Journal Title: Applied Physics Express (Accepted) Volume: -
  • NAID: 210000136254
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mode-locked thulium-doped fiber laser using a single-layer-graphene-covered tapered fiber (2017)
  • Author(s): Y. Wang, W. Ni, S. Y. Set and S. Yamashita
  • Journal Title: IEEE Photonics Technology Letters Volume: 29 Issue: 11 Pages: 913-915
  • DOI: 10.1109/lpt.2017.2693564
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Waveguide design parameters impact on absorption in graphene coated silicon photonic integrated circuits (2016)
  • Author(s): G. Kovacevic and S. Yamashita
  • Journal Title: Optics Express Volume: 24 Issue: 4 Pages: 3584-3591
  • DOI: 10.1364/oe.24.003584
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Design optimizations for a high-speed two-layer graphene optical modulator on silicon (2016)
  • Author(s): G. Kovacevic and S. Yamashita
  • Journal Title: IEICE Electronics Express Volume: 13 Issue: 14 Pages: 20160499-20160499
  • DOI: 10.1587/elex.13.20160499
  • NAID: 130005166211
  • ISSN: 1349-2543
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Study of high loss fiber laser cavities mode-locked by NPR (2018)
  • Author(s): Goran Kovacevic, Takuma Shirahata, Pengtao Yuan, Sze Set, Shinji Yamashita
  • Organizer: 第65回応用物理学会学術講演会
• [Presentation] Nanocarbon materials for short-pulse fiber lasers (2017)
  • Author(s): S. Yamashita
  • Organizer: Frontiers of Nanochemistry 2017 (FNC-2017)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nanocarbon materials for short pulse lasers (2017)
  • Author(s): S. Yamashita and S. Y. Set
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR) 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bidirectional mode-locked soliton fiber laser in 2μm using cnt saturable absorber (2017)
  • Author(s): J. Hongbo, Y. Wang, S. Y. Set, S. Yamashita
  • Organizer: OSA Topical Meeting on Advanced Solid State Lasers (ASSL)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design of a high-speed graphene optical modulator on a silicon slot waveguide (2017)
  • Author(s): G. Kovacevic, C. Phare, S. Y. Set, M. Lipson and S. Yamashita
  • Organizer: 22nd Microoptics Conference (MOC2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] All-fiber 2μm wavelength bi-directional mode-locked laser (2017)
  • Author(s): J. Hongbo, Y. Wang, S. Y. Set, S. Yamashita
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Study of thermal effect in single layer graphene based optical modulators (2016)
  • Author(s): G. Kovacevic and S. Yamashita
  • Organizer: Australian Conference on Optical Fibre Technology (ACOFT) 2016
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanocarbon materials for short pulse lasers (2016)
  • Author(s): S. Yamashita
  • Organizer: Lasers, Applications, and Technologies (LAT) conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] モード同期光ファイバレーザとその応用 (2016)
  • Author(s): 山下真司, セットジイヨン
  • Organizer: 第７回超高速フォトニクスシンポジウム
  • Invited
• [Remarks] 山下・セット研究室ウエブサイト
  • URL: http://www.cntp.t.u-tokyo.ac.jp/