2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development and application of compound semiconductor monolithic advanced unitary conversion photonic integrated circuits
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23H00272
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
中野 義昭 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50183885)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
種村 拓夫 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90447425)
杉山 正和 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90323534)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Keywords | 光集積回路 / ユニタリ変換 / 線形演算 / InP / モノリシック / 光コンピューティング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，これまでの光ユニタリ変換回路の大規模化上の課題であった過剰損失を化合物半導体能動素子集積によって克服した，真のユニタリ性を有するスケーラブルでロバストな高度ユニタリ変換光集積回路を研究開発し，光ファイバ通信および光コンピューティングに応用することを通じて，任意の線形行列演算を光領域で超高速・低消費電力に行なう画期的な技術基盤を社会に提供することを目的としている．2023年度は以下に述べる成果を挙げた．
本研究独自の多面光波変換型光ユニタリ変換回路では，2x2のマッハツェンダー干渉計をメッシュ状に接続した従来手法とは異なり，各ミキシング層において全モードが結合することで冗長性が付加される．その結果，作製誤差にほぼ依存しない特性を示し，なおかつ規模の増加とともにそのロバスト性が増強されるという特異なスケーラビリティを有することを明らかにした．実際に多ポート方向性結合器や多モード干渉結合器など，異なる構造を有する光ユニタリ変換回路を各種作製し，いずれも所望の変換特性が得られることを実証した．さらに，多面光波変換型光ユニタリ変換回路の冗長性を深層ニューラルネットワークに活用することで，段数と位相シフタ数を1/10に削減しても同等の学習結果が得られることを示した．これらの性質は，素子の小型化，低消費電力化，低損失化に直結するものであり，実用的な光ユニタリ変換集積回路を実現する有益な手法になることが期待される．
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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
2023年度に生じた予期せぬ事態としては，本研究で使用するInP系半導体の有機金属気相エピタキシャル結晶成長装置が設置されている工学部10号館が耐震補強改修工事の対象となり，2023年8月から約1年間の工事期間中，同結晶成長装置の使用が不可能となったことが挙げられる．このため，予定していた結晶成長および素子の試作が一部実施できなくなった．そこで研究の方向を，理論解析とシリコンフォトニクスによる素子試作実証に一部切り替えた．その結果幸いにも「研究実績の概要」欄に記載の通りの一年目として十分な研究成果を挙げることができたと考えている．2024年度には建物改修工事が終了し，以前の通りに結晶成長が出来る環境が整うものと想定している．
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| Strategy for Future Research Activity |
前記の通り2024年度半ば以降は改修工事が完了し，当初予定のInP系半導体の結晶成長と素子試作が行える環境が回復するものと見込んでいる．工事完了後は速やかにInP系半導体による素子試作を再開し，2023年度に行う予定であった項目および2024年度に行う当初予定の項目を順次遂行し，全体として当初計画に沿った研究を推進して行く所存である．
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