| 研究課題/領域番号 |
20K04601
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| 研究機関 | 兵庫県立大学 |
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研究代表者 |
榎原 晃 兵庫県立大学, 工学研究科, 教授 (10514383)
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| 研究分担者 |
佐藤 孝憲 北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (60835809)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 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 |
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| 研究実績の概要 |
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導波路で実現して、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２年度は、Ti拡散LN導波路によるMMI導波路素子の設計、作製の手法を確立することを目指した。具体的には、屈折率が連続的に変化するTi拡散LN導波路に対応できるよう独自の導波路解析プログラムを改良し、それを用いて、1.55 μm波長帯において、幅50μm、長さ2.2mm前後のMMI導波路に入出力光導波路を接続した2×2光結合器の構造を、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することによって、90°ハイブリッドとして動作する光結合器が実現できることを解析により見いだした。
そして、上記光結合器構造を指定の拡散条件により実際に試作し、その動作を実験的に評価した。その結果、MMI導波路が幅50 μm、長さ2.12 mmで、分配比の偏差は1dBで入力光をほぼ等分配できることがわかり、90°ハイブリッドとして動作していることを実験的に確認できた。また、MMI光結合器部分の挿入損失は1 dB以下であった。
さらに、MMI導波路部に電極を形成し、電圧印加することによって屈折率を電気的に変化させ、光結合器の分配特性を電気制御できることも、解析により確認し、実際に素子を試作して実験的に実証した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
令和２年度の研究計画では、１．独自の導波路解析プログラムを改良し、Ti拡散LN導波路によるMMI構造設計に適用すること、および、２．Ti拡散導波路の作製条件を最適化し、MMI素子を作製して動作を実験的に実証すること、としていた。
１．について、本研究グループでは、リッジ導波路のような屈折率が階段状のためのビーム伝搬法による導波路解析プログラムを所有していたが、このプログラムの屈折率を連続的に変化させることができるよう改造することに成功した。そして、当初予定通り、Ti拡散LN導波路によるMMI光導波路の解析設計に適用でき、従来よりも解析精度は格段に向上し、試作したMMI素子の特性の誤差も想定した範囲内であった。
２．について、上記解析結果を基に試作した素子の特性に関しては、当初目標の2×2光結合器で分配比の偏差1dB以下、全損失：2dB以下は実験的にクリアできた。特に、損失は1dB以下で当初の予想よりも低損失であることがわかり、今後の展開に期待が持てる。しかし、当初の計画に記載していた4×2光結合器については、実際の光変調器への応用を鑑みて、1×2、1×3の光合分波器の検討を優先して進め、4×2光結合器はその後に検討することとした。
また、研究遂行全般については、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き、その上、研究室への入室制限により、担当学生も登校できない日が続いていた。そのため、研究の進捗に遅延が生じており、その影響で、1×2、1×3等の光結合器については、設計は完了しているが、試作はこれから取りかかることになっている。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和２年度は、新型コロナの影響で一部項目に遅延が生じているが、全般的には概ね順調に進んでいる。4×2光結合器の動作実証については、今後の動向を見て、本研究の最終目標達成における必要性を見極めてから、実際に検討を行うかどうかを判断する。
令和３年度の計画は、１．MMI構造による2×2結合器を一体化した相補２出力を有するマッハツェンダ光変調器(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、である。
１．について、２年度に設計した90°ハイブリッドとして動作する光結合器を組み込み、MZMと一体化して設計し、相補２出力動作を実証する。目標は、MMI構造を一体化したワンチップの構成で、10GHz以上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が実現できることである。MMI構造による2×2結合器の設計と動作実証は２年度に予定通り完了しており、所望の特性を得た。MZMとの一体化についても、すでに設計は終えており、現在は、試作の段階にあるので、当初予定通り進めていくことに支障は無い。
２．については、MMI導波路が電気光学効果を有する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、出力光の分配比や位相差を微調整できる電極構造を検討する。これについては、すでに前倒しで進めており、２年度中に光結合器の分配特性を電気制御できることを解析により確認し、実際に試作して実験的に実証しており、令和３年度の計画の一部はすでに遂行している。今後は、電極構造や光導波路構造の最適化により、分配比調整の際の損失や位相変化の変動の抑制や、電圧制御の低電圧化を目指していく。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
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ており、出張費の支出が当初予定よりも大幅に減少した。また、研究活動もやや遅延しており、それによって物品購入も当初予定よりも少なかった。これらについては、令和３年度以降に執行する予定である。また、新型コロナの影響が長引いた場合は、出張費相当の予算も活用して、他の方法で素子を試作することも検討したいと考えている。
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