2021 Fiscal Year Research-status Report
Research on Electro-optic devices using multi-mode interference waveguides
| Project/Area Number |
20K04601
|
|---|
| Research Institution | University of Hyogo |
|---|
Principal Investigator |
榎原 晃 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (10514383)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 孝憲 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (60835809)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 多モード干渉光導波路 / 電気光学変調素子 / ニオブ酸リチウム / 光結合器 / 90°ハイブリッド / チタン拡散光導波路 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
高速光変調器などの電気光学素子では，チタン拡散によるニオブ酸リチウム光導波路（Ti拡散LN導波路）が広く用いられている．一方で，多モード干渉(MMI)光導波路構造は，複数端子の光結合器等が実現できることから，電気光学素子と一体化することで素子の高機能化が期待できるが，Ti拡散LN導波路では実現されていない．本研究では，MMI導波路素子をTi拡散LN導波路で実現し，MMIによる光結合器を用いて新たな機能を持つ電気光学変調素子を提案し，実験的にその動作実証を行うことを目的とする．
令和３年度は，初年度に設計した90°ハイブリッドとして動作する２×２光結合器を組み込んだマッハツェンダ電気光学変調器(MZM)を実際に設計・試作し，相補２出力動作を実験的に実証した．さらに，MMI構造を一体化したワンチップ構成で，10GHzの高速変調信号で動作し，20dB以上の消光比で光スイッチングするとの当初目標値を達成することができた．
また，MMI導波路が電気光学材料でできている利点を生かして，MMI導波路に電界を印加するための電極を形成し，印加電界による屈折率変化を利用して，出力光の分配比などを微調整する電極構造を設計し，実際に素子を試作評価してその有効性を実験的に確認した．これにより，MMI素子の作製誤差等による特性のずれを相殺でき，MMI素子の高精度化に非常に有効である．電極設計においては，ビーム伝搬法(BPM)による独自の光導波路解析プログラムを，印加電界による屈折率変化を考慮できるように改良し，従来困難であった，電界印加による素子特性の変化を正確に解析できるようになった．
新型コロナの影響により，情報通信研究機構に出張して素子作製を行う回数が，当初の予定よりも激減したため，進捗に遅れが生じていたが，令和３年度の当初目標は何とか達成することができた．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和３年度の当初研究計画では，１．MMI構造による2×2光結合器を一体化した相補２出力を有するMZMの動作実証．および，２．電界制御によるMMI素子特性の後調整を可能にする電極構成を検討．としている．
令和３年度は，令和２年度に構築したTi拡散LN導波路に対応した独自の導波路解析プログラムを用いて，1.55 μm波長帯において，幅90μm，長さ6.7mm前後のMMI導波路に入出力光導波路を接続したTi拡散LiNbO3導波路による2×2 MMI光結合器の構造を設計した．さらに，2×2 MMI光結合器の出力光の分配比を微調整するための電極を，改良した光導波路解析プログラムにより設計して実際に試作評価を行った．光導波路作製はz-cut LiNiO3基板上にTi膜厚85nm，温度990℃，7.8時間の熱拡散により作製した．実験により電極への印加電圧にほぼ比例して光電力分配比が変化し，10 %程度の分配比のずれは，概ね±15 V以内の電圧印加によって，等分配に補償できることがわかった．
次に，この分配比調整可能な2×2MMI光結合器と1×2 MMI光結合器とを一体化した消光比が制御可能で，相補的な２出力を有するMZMを実際に設計，試作を行った．実際の変調実験より，２つの出力光を観測した結果相補的な２出力が得られていることを確認した．さらに，MMI光結合器に設けた分配比調整電極に電圧を印加することにより，分配比のずれを補償して消光比を制御できることを実験的に示し，実際に，約50 dBの最大消光比を確認した．さらに，同構造のMZMを用いてマイクロ波信号による光SSB変調実験を行い，一方の１次側波帯が抑圧された良好な光SSB変調スペクトルが観測され，さらに，変調光スペクトルより39 dBの側波帯抑圧比を確認した．
これら結果は，令和３年度の当初目標を達成するものである．
|
| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度は，新型コロナの影響で実験の遂行に支障が生じたが，全般的には研究目標を達成し，概ね順調に進んでいる．また，令和3年度までで，Ti拡散LiNbO3導波路によるMMI素子の設計や作製条件などの基本的なMMI素子化のための技術は確立できた．そこで，最終年度である令和４年度は，MMI光結合器の一体化により，より高度な光変調素子の実現を目指して，まず，２×２よりもさらに多端子のMMI光結合器を設計し，試作評価によりその特性を確認する．そして，この多端子MMI光結合器を用いて，高度な変調動作を可能とする高機能な光変調素子の提案と試作評価を行う予定である．
具体的には，入力光を４等分配する１×４MMI光結合器をTi拡散LiNbO3導波路を用いて設計し，試作評価を行い，その動作を確認する．次に，１×４MMI光結合器を入力と出力の分配器に用いて，４本の多重並列干渉計を構成し，光変調素子に応用する．実際には，変調の際の３次相互変調ひずみを抑圧する低ひずみ光変調器や，変調光の不要なスペクトル成分を抑圧して，搬送波抑圧単一側波帯変調（SC-SSB）が可能な光変調器の設計試作を行い，その有効性を確認する予定である．また，さらに多端子の1×3，4×2や1×6のMMI光結合器も設計試作し，６本の多重並列干渉計による光変調器や4×2MMI光結合器を用いたQPSK変調信号の復調に利用できる光90°ハイブリッドの検討など，より高機能な光変調素子の実現を目指す．
|
| Causes of Carryover |
当初の予定では，効率的に研究を遂行するために，高度な加工装置が必要な光導波路の試作を情報通信研究機構（東京都小金井市）で行い，また，学生の研究テーマにして研究を加速することにしていた．しかし，新型コロナの影響で，情報通信研究機構の実験施設が一時閉鎖され，閉鎖解除後も東京への出張自粛が続いた．そのため，情報通信研究機構への学生を含めた出張旅費の執行が予定よりも大幅に少なくなり，それに伴って物品の購入も当初予定よりも少なかった．また，研究成果の対外発表のための出張も皆無であったため，出張旅費を中心に研究費の一部を繰り越した．令和４年度は，新型コロナによる出張制限は緩和されているので，情報通信研究機構への出張を再開して研究活動を活発化するとともに，すでに研究成果も多く得られているので，対外発表も活発化することで，繰り越した予算を含めて，令和４年度に執行する予定である．
|
