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高Q値フォトニック結晶ナノ共振器結合系の高速電気制御による光の動的制御の研究

研究課題

研究課題/領域番号 23K23256
補助金の研究課題番号 22H01988 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分30020:光工学および光量子科学関連
研究機関京都大学

研究代表者

浅野 卓  京都大学, 工学研究科, 准教授 (30332729)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2024年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円)
2023年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2022年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
キーワードフォトニック結晶 / 共振器 / 電気制御 / 光電子融合回路 / 機械学習設計 / フォトニック結晶共振器 / 光転送 / 高Q値化 / ナノ共振器 / 光バッファ
研究開始時の研究の概要

本研究では、シリコンフォトニック結晶共振器結合系に面内p-i-n構造を導入して電気的に屈折率を高速に制御できる機構を付加しつつ、共振器の光保持時間を極力低下させない手法を検討し、電気制御による光の動的操作が可能な光電子融合チップを実現する。そして、3共振器結合系での高効率かつ高速な共振器間光転送を電気制御によって実現し、その上でさらに多様な動的光操作への適用を目指す。

研究実績の概要

我々はこれまでにフォトニック結晶共振器やその結合系に光を保持している間に屈折率分布を変化させることで、光を動的に操作する技術を提案し、その実証に取り組んできた。従来は屈折率制御をチップ外部から短パルス光を照射することでキャリアを励起する手法で行っていたが、ごく最近、面内p-i-n構造を導入して電気的に屈折率を高速に制御できる機構を付加することを行い、これによる共振器間光転送に成功した。しかしプロセスの複雑化に伴う汚染などの問題や、結合共振器とp-i-n構造を最適化できていないなどの課題が残っていたため、昨年度は様々なプロセス改善の検討を行い、これまで200万程度であった電気制御機構付き共振器結合系のQ値を、その2倍の400万程度まで向上させることに成功した。(ただし、キャリア注入を行っていない状態。)
本年度は、転送時間および転送効率を向上させるため、共振器Q値を大きな値に保ちながら共振器間結合定数を増大させ、かつp-i-n構造によるキャリア注入速度を向上させることに取り組んだ。前者に関しては共振器間の結合に用いる導波路の位置をサイドカップリング配置から同軸配置に変更し、対称性を向上させることで放射Q値を低下させずに結合定数を3倍程度増大させる設計に成功し、また実験的にも確認した。しかしp-i-n構造によりキャリアを注入して光転送実験を行ったところ、光転送後の光保持寿命が極端に低下することが分かった。そこでその原因を検討したところ、注入キャリアによる想定外の光吸収が生じていることが分かった。そこで、p-i-n構造および共振器と結合用導波路の配置等を見直しつつ、機械学習的手法も活用した設計を行い、結合定数を昨年度の構造の2倍程度に高めつつ、キャリアを注入して光転送を行った後のQ値を300万程度以上という高い値に保つことできる設計を得ることに成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

注入キャリアが光転送後の光保持寿命に想定以上の大きな影響を及ぼすという現象に予期せず遭遇したが、物理に基づく考察と機械学習的手法とを用いた電気回路および光回路の総合設計を行うことで結合定数を昨年度の構造の2倍程度に高めつつ、キャリアを注入して光転送を行った後のQ値を300万程度以上という高い値に保つことできる設計を得ることに成功したため。

今後の研究の推進方策

本年度の検討で得られたpin構造と結合共振器系構造を実際に作製して、光転送性能の向上を実証することを目指して研究を行う。p-i-n構造から注入されたキャリアが共振器外に広がることが、光転送後の光保持寿命の低下につながることが明らかになったため、より幅の狭いp-i-n構造(従来i層の大きさが4.5μm×4.5umだったものを2.5μm×1.9μmとする)を用いる。しかし、それに伴って共振器とi層の位置合わせを厳密に行う必要が生じるので、電子ビーム露光による重ね合わせ描画手法の再検討を行って位置合わせ精度を向上させる。また、結合共振器構造に関しては光保持用共振器に関しては、結合用導波路と同軸の構造、制御用共振器に関してはサイドカップリング構造が最適であることが分かったので、まずp-i-n構造なしの結合共振器を作製し、その共鳴波長、結合係数等の基本特性を確認する。その上で、p-i-n構造を導入した結合共振器構造を作製し、オンデマンドな光転送実験を行う。これによって、従来構造よりも高速・高効率な光転送を実証することを目指す。また、p-i-n構造にパルス電圧ではなく、高周波信号を加えることで、波長差のある共振器間に光結合を誘起できる可能性があるため、その実験的検討を行う。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] 成均館大学校(韓国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] 成均館大学(韓国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Design and fabrication of a coupled high-Q photonic nanocavity system with large coupling coefficients2024

    • 著者名/発表者名
      Mitsuhashi R.、Song B. S.、Inoue K.、Asano T.、Noda S.
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 32 号: 6 ページ: 10630-10630

    • DOI

      10.1364/oe.513508

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] [Editor's Pick] Raman silicon nanocavity laser with efficient light emission from the edge of an adjacent waveguide2023

    • 著者名/発表者名
      Yuki Saito, Takashi Asano, Susumu Noda, and Yasushi Takahashi
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 31(9) 号: 9 ページ: 14317-14342

    • DOI

      10.1364/oe.483998

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Suppressing the sample-to-sample variation of photonic crystal nanocavity Q-factors by air-hole patterns with broken mirror symmetry2023

    • 著者名/発表者名
      Akari Fukuda, Takashi Asano, Taro Kawakatsu, Yasushi Takahashi, and Susumu Noda
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 31(10) 号: 10 ページ: 15495-15513

    • DOI

      10.1364/oe.488516

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Silicon nanocavity with a quality factor of 6.7 million fabricated by a CMOS-compatible process2023

    • 著者名/発表者名
      Masaaki Katsura, Yuji Ota, Ryota Mitsuhashi, Minoru Ohtsuka, Miyoshi Seki, Nobuyuki Yokoyama, Takashi Asano, Susumu Noda, Makoto Okano, Yasushi Takahashi
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 31(23) 号: 23 ページ: 37993-38003

    • DOI

      10.1364/oe.502707

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 光ナノ共振器結合系を用いた光子転送操作後の共振器損失の低減2024

    • 著者名/発表者名
      永江 隆太、松田 卓大、浅野 卓、野田 進
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会, 22a-11E-3, 2024年3月24日
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] シリコンラマンレーザ用ナノ共振器のQ値の空気孔傾き依存性2024

    • 著者名/発表者名
      石原 歩、浅野 卓、下村 悠、野田 進、高橋 和
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会, 22p-P06-2, 2024年3月22日
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Coupling between Detuned Photonic Nanocavities by Frequency Modulation2023

    • 著者名/発表者名
      Ryuta Nagae, Takashi Asano, and Susumu Noda
    • 学会等名
      The 13th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence, P-09, Nov. 1st, 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 塩素プラズマエッチングを用いたシリコンナノ共振器作製の検討2023

    • 著者名/発表者名
      桂 正晃、梅野 禎久、水口 武、髙濵 渉、浅野 卓、野田 進、高橋 和
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会, 21p-P22-1, 2023年9月21日
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] フォトニック結晶光ナノ共振器結合系の構造最適化 (III)2023

    • 著者名/発表者名
      浅野 卓1、三橋 凌太、永江 隆太、野田 進
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会, 21a-A308-8, 2023年9月21日
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 機械学習とCMA-ESを活用した連続駆動分割電極PCSELのリアルタイム発振モード状態制御2023

    • 著者名/発表者名
      和泉 孝紀、De Zoysa Menaka、行舎 直起、小林 宇翔、井上 卓也、勝野 峻平、吉田 昌宏、石﨑 賢司、初田 蘭子、浅野 卓、野田 進
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会, 22p-A308-1~17, 2023年9月22日
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Improvement of Coupled Three-Cavity System For Efficient and Fast On-Demand Photon Transfer2023

    • 著者名/発表者名
      Ryota Mitsuhashi, Takashi Asano, and Susumu Noda
    • 学会等名
      The 13th International Symposium on Photonic and Electromagnetic Crystal Structures (PECS13), P-69, March 30, 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 機械学習を活用した二次元フォトニック共振器の構造最適化2023

    • 著者名/発表者名
      浅野 卓、野田進
    • 学会等名
      2023年電子情報通信学会総合大会, CI-3, 2023/3/7
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] フォトニック結晶光ナノ共振器の周波数変調による動的な結合形成の実証2023

    • 著者名/発表者名
      永江隆太 、三橋凌太 、宋奉植 、浅野卓 、野田進
    • 学会等名
      2023年春応用物理学会, 15p-PB05-7, 2023/3/15
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Electrically Controlled Photon Transfer Between High-Q Nanocavities2022

    • 著者名/発表者名
      T. Asano and S. Noda
    • 学会等名
      The 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications (ISPSA 2022), ThE2-1, July 21, 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-Q Photonic Crystal Nanocavity with an Air-Hole Pattern without Mirror Symmetry about the x- and y-Axe2022

    • 著者名/発表者名
      Akari Fukuda1, Takashi Asano , Yasushi Takahashi , and Susumu Noda
    • 学会等名
      International Conference on Optics-Photonics Design and Fabrication, P_OTh_40, August 31, 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] フォトニック結晶光ナノ共振器結合系の構造最適化(II)2022

    • 著者名/発表者名
      三橋凌太, 浅野卓,野田進
    • 学会等名
      2022年秋応用物理学会, 20a-A101-4, 2022/9/20
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Q値350万をもつCMOS互換プロセスで作製されたナノ共振器2022

    • 著者名/発表者名
      桂 正晃,太田 雄士,三橋 凌太,岡野 誠,大塚 実,関 三好,横山 信幸,浅野 卓,野田 進,高橋 和
    • 学会等名
      2022年秋応用物理学会, 20a-A205-3, 2022/9/21
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 野田研究室

    • URL

      http://www.qoe.kuee.kyoto-u.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 野田研究室のページ

    • URL

      http://www.qoe.kuee.kyoto-u.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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