Development of wideband programmable photonic integrated circuit

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K15470
• 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, 研究員 (20807557)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 光集積回路 / 結合リング共振器 / プログラマブル光回路

Outline of Annual Research Achievements

光集積回路技術は、光情報通信や光量子情報処理等の応用を支える重要な技術であると考えられる。従来の光回路は作製後にその内容を動的に生成・消去することは不可能であった。本研究では、2次元的に結合したリング共振器の共振制御によって、動的に内容を書き換えることが可能なプログラマブル光回路の実現を目指す。令和1年度においては1次元的に結合したリング共振器(CROW)構造を作製し、基礎特性を測定した。また、転送行列法を用いて2次元結合リング共振器系のバンド構造を計算し、結果として、隣り合うリング間の周回位相差をπとすることで、光が系内に結合することができない帯域であるメタ光バンドギャップが形成できることが分かった。令和2年度においては、5×5規模の2次元結合リング共振器系の作製および評価を行った。各リング共振器には薄膜ヒータが形成されており、ヒータに対する電流加熱によってリング共振器の共振波長を調整できる。一方でヒータの発生する熱分布によって、隣のリング共振器に対して不要な加熱(熱クロストーク)が生じてしまう。そこで、本研究ではヒータ加熱時の各リング共振器の共振波長変化を測定し、最大で36%程度の熱クロストークが生じることを見出した。次に、この測定で得られた分布を用いて、各リング共振器の共振波長を所望の値に設定した。結果として、隣り合うリング共振器を非共鳴とした場合に光が透過しないバンドギャップが形成され、一列のみリング共振器を共鳴させることで光導波路を形成できた。導波帯域はおよそ10 GHzであった。また、光導波路をL字型に設定し、L字型の光導波路を形成することにも成功した。これらの構成は動的に切り替えることが可能であり、光スイッチ動作を実証できた。さらには、光導波路の中心透過波長をFSR全域にわたって調整することにも成功し、これによりデバイスの広帯域化への道筋を示すことができた。