On-chip integration of free-space unitary optical circuits

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02648
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Matsuda Nobuyuki 東北大学, 工学研究科, 准教授 (10587695)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 金森 義明 東北大学, 工学研究科, 教授 (10333858) ; 山田 博仁 東北大学, 工学研究科, 教授 (60443991)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: シリコンフォトニクス / 光干渉計 / 光量子情報

Outline of Final Research Achievements

Aiming to realize compact and low-loss optical quantum information processing devices, we have successfully manufactured unitary optical circuits based on free-space optics on a silicon chip. With the deep reactive ion etching technology, a multimode optical interference circuit with more than 500 silicon thin-film beamsplitters has been realized. Optical response of the individual beamsplitters as well as the output beam characteristics of the multiport interferometer indicated the successful realization of a linear optical circuit with a high interference visibility. The result pioneered a new optical interference circuit platform with the same level of integration as conventional optical waveguide-based circuits but with reduced optical propagation loss toward large-scale optical quantum devices.

Free Research Field

量子光学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ユニタリ変換光回路は、光量子情報分野のみならず、光を用いたニューラルネットワーク計算などの広範な分野における光演算分野において近年活発に研究・応用されている重要なデバイスである。本研究成果は、そのような光デバイスの新たなアーキテクチャの可能性を低光伝搬損失性という大きな利点とともに示すものである。今後、ミラーやレンズといった様々な光学素子も小型集積化できれば、量子技術や光演算に限らず、通信やセンシングといった光科学技術全般における自由空間型光デバイスの小型化につながることが期待される。