2020 Fiscal Year Annual Research Report
集積光ユニタリ変換器を利用した次世代大容量光通信システムの創出
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20J21861
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
田之村 亮汰 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 光ユニタリ変換器 / 空間モード多重通信 / 光通信 / 光計算 / 集積フォトニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，コンパクトかつ低消費電力な光集積回路を用いた光Multi-Input Multi-Output(MIMO) 技術の確立と次世代大容量光通信システムの創出を目指す．またそれに向け，主軸となる集積光ユニタリ変換器について，多面光波変換法に基づいた任意ユニタリ変換器の構成について数値的検証と実験的実証を行い以下の成果を上げた．
1)まず光ユニタリ変換器のモードミキサ部分に求められる条件について検討を進めた．結果モードミキサはユニタリであること，また「ある程度混ざっていること」が必要であることを明らかにした．この混ざっていることを評価するためにmixing entropyという指標を導入し，各モードミキサの混ざり方の評価から素子全体の任意性の評価可能であることを示した．また，多ポート方向性結合器を用いる事で，作製誤差などによらず光ユニタリ変換器に必要な条件を達成でき，さらに回路規模を増大すればするほどロバストになるという特異なスケーラビリティを有することを数値的に明らかにした．
2) また私の研究において主軸となるデバイスである集積光ユニタリ変換器について，その原理実証と特性の検討を行った．まず光通信用素子のプラットフォームとして長年研究・実用化されているInP基板上にモノリシックに集積された4×4 光ユニタリ変換器の実証結果を報告した．本内容はInP系においては世界最大となる光ユニタリ変換器の実証であり，InP系ですでに盛んに研究されている通使用光源や光増幅器などとモノリシックに集積された光モード分解器の実現に大きく寄与したといえる．実際に半導体プロセスを行い，素子作製における各エッチング条件や成膜条件などを明らかにした．作製した素子を用いて，簡易伝送系を構築しモード間にクロストークがあるときの40Gbps Non-Return Zero (NRZ)信号の伝送に成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は素子に求められる条件の検討，さらに小規模の集積光ユニタリ変換器の実証を目標としていた．
まず光ユニタリ変換器のモードミキサ部分に求められる条件について検討を進めた．結果モードミキサはユニタリであること，また「ある程度混ざっていること」が必要であることを明らかにした．この混ざっていることを評価するためにmixing entropyという指標を導入し，各モードミキサの混ざり方の評価から素子全体の任意性の評価可能であることを示した．
さらに小規模な集積光ユニタリ変換器について，その原理実証と特性の検討を行った．まず光通信用素子のプラットフォームとして長年研究・実用化されているInP基板上にモノリシックに集積された4×4 光ユニタリ変換器の実証結果を報告した．実際に半導体プロセスを行い，素子作製における各エッチング条件や成膜条件などを明らかにした．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までに，光ユニタリ変換器のモードミキサ部分に関する条件の検討と小規模の素子の実証に成功している．今後は偏波多重回路も集積した光ユニタリ変換器を作製し，そのシステムを構築する．偏波多重回路としてモード発展型素子を設計・作製する．モード発展型は，モードカップリング型などのほかの原理に基づく偏波操作素子よりも，ロバスト性や波長の広帯域性に優れている．また，本年度解明したモードミキサ部分の条件に基づき，非等分配型多モード干渉計カプラを利用し，性能のトレードオフなく広帯域化した素子の実現を目指す．また，素子を利用した伝送実験系の構築を行う．
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