2022 Fiscal Year Annual Research Report
相変化材料を用いたプログラマブル光回路に関する研究
| Project/Area Number |
21J20272
|
|---|
| Allocation Type | Single-year Grants |
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
宮武 悠人 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
|
| Keywords | プログラマブル光回路 / 光位相シフタ / 相変化材料 / GST / 2x2カプラ / 光強度変調器 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、相変化材料を用いた光変調器を集積し、深層学習演算のための行列演算や量子計算のためのユニタリ行列演算を実行するプログラマブル光回路を実現することである。これまでに、相変化材料として最も一般的に用いられているGe2Sb2Te5(GST)を波長2.3um付近の中赤外領域で動作させることによって光位相シフタの損失を低減できることを実証した。本年度は、相変化材料を用いた光位相シフタの損失をさらに低減するために、新しい相変化材料の開発に取り組んだ。具体的には、Ge2Sb2Te5の5つのTe原子のうち2つをSで置換したGe2Sb2Te3S2(GSTS)を提案した。GSTSはGSTよりバンドギャップが大きく、近赤外領域および中赤外領域での光吸収が低減される。加えて、有毒なSeを含有しないという特徴を持つ。このGSTSを用いた光位相シフタを中赤外領域で動作させることによって、これまで報告された相変化材料を用いた光位相シフタとして最も低い位相シフトあたりの損失を達成した。また、このGSTSを光強度変調器として用いる研究も並行して進めている。アモルファス相のGSTが1.55umにおいて光吸収を持つのに対し、アモルファス相のGSTSの光吸収はほとんどない。これによって非常に挿入損の小さい光強度変調器が実現可能になる。併せて、CMA-ESと呼ばれる優れたアルゴリズムを用いて、S字曲げ導波路や2x2カプラといった光集積回路の構成要素となる受動素子の設計を行った。CMA-ESを用いることによって、従来報告されていた素子より挿入損を小さくすることに成功した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまで相変化材料を用いた光位相シフタについては、従来から最も広く用いられてきたGSTを用いた相変化光位相シフタを中赤外領域で動作させることで、近赤外領域より光位相シフタの損失を低減することに成功していた。一方で、GSTを用いる限り、相変化光位相シフタの損失を十分に低減することは難しいことが明らかになった。そこで、新しい相変化材料を開発し、光位相シフタの損失をさらに低減することを着想した。共同研究先に第一原理計算を用いた材料設計を依頼し、新しいワイドギャップ相変化材料であるGe2Sb2Te3S2(GSTS)を開発した。GSTSはGSTよりバンドギャップが大きいため、近赤外領域および中赤外領域での光吸収が小さい。このGSTSを波長2.3um付近で動作させることでpi位相シフトあたりの損失が0.29 dB/piまで低減できることが明らかになった。この損失は研究計画に含まれるユニタリ光回路に基づく行列演算回路の構成要素として用いることが可能な値であると考えている。従って、相変化光位相シフタの低損失化については、当初の計画通りに研究を進められていると言える。相変化位相シフタの双方向の書き換えについては、電気的手法と光学的手法を用いたアモルファス化の実験に取り組んでいる。半導体不足の影響で実験装置の納入が遅れたこともあり双方向の書き換えには成功していないが、実験装置の立ち上げが進んでいるので今後実証を目指す。人工知能を用いた光学素子の設計については、研究計画にある通りS字曲げ導波路や2x2カプラなどの設計に取り組んだ。S字曲げ導波路については素子の作製も行い、従来素子を上回る性能を実験的に実証した。2x2カプラについても設計が完了し、素子の作製を進めている最中である。
以上の通り、一部で遅延が発生しているが、全体としてはおおむね順調に研究が進展していると言える。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまでに、相変化光位相シフタの低損失化と低損失かつ小型の2x2カプラの設計が完了している。今後はこれらを組み合わせたプログラマブル光回路の動作実証を目指す。現在、共同研究先でこのプログラマブル光回路のシリコン導波路部分の作製を行っている最中である。この光回路のシリコン導波路部分の作製が完了次第、相変化光位相シフタの作製を行う予定である。相変化材料の双方向の書き換えについては、より難しいアモルファス化の実証に取り組む。現在、光学的手法によるアモルファス化のための光学系の設計を外部業者に依頼しており、この光学系が完成次第実験に取り組む予定である。人工知能を用いた光学素子の設計については、動作波長が1.55umと2.35umの2x2カプラの設計が完了しており、外部ファンドリに作製を依頼する予定である。作製が完了次第、素子の評価に取り組む予定である。また、研究計画には含まれないが、新規の相変化材料であるGSTSを光位相シフタだけではなく光強度変調器に用いる研究にも取り組んでいる。すでに単体素子での性能評価は完了しており、従来のGSTを用いるよりも挿入損が小さい光強度変調器を実験的に実証できた。今後、これらを集積し、深層学習用の光強度変調器に基づく行列演算回路の実証を目指す予定である。
以上が今後の研究の推進方策であるが、今年度は研究を主に行っている建物の改修工事に伴う実験設備の移動があるため、どの程度現在の実験設備を利用できるが不明瞭である。別の場所にある共用設備の利用などによって、可能な限り研究の推進への影響を小さくするよう取り組む。
|
