• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 課題ページに戻る

2015 年度 実績報告書

半導体モノリシック光波合成・任意ユニタリ変換光集積回路の創出

研究課題

研究課題/領域番号 26000010
研究機関東京大学

研究代表者

中野 義昭  東京大学, 大学院工学系研究科, 教授 (50183885)

研究分担者 種村 拓夫  東京大学, 大学院工学系研究科, 准教授 (90447425)
杉山 正和  東京大学, 大学院工学系研究科, 准教授 (90323534)
小関 泰之  東京大学, 大学院工学系研究科, 准教授 (60437374)
肥後 昭男  東北大学, 原子分子材料科学高等研究機構, 助教 (60451895)
研究期間 (年度) 2014 – 2018
キーワード集積フォトニクス / 光集積回路 / 半導体 / アダプティブ / モノリシック / 光波合成 / ユニタリ変換 / 偏波制御
研究実績の概要

(1) 量子井戸型偏波制御器の設計と試作
光波合成回路上での偏波状態制御を実現するハーフリッジ型偏波制御器の効率改善に向けて, InGaAlAs/InAlAs量子井戸構造を導入した新規構造を設計し, 素子の試作を行った. その結果, 量子井戸層におけるバンドフィリング効果を用いることで, 非常に効率良く偏波依存位相制御が得られることを実証した.
(2) 偏波解析素子の設計と試作
(1) の偏波制御器を多数集積して駆動する上で, チップ内の各導波路における光の偏波状態を正確にモニタする技術が必要になる. そこで, ハーフリッジ型導波路構造を用いた偏波アナライザ集積素子を新たに提案した. 原理検証のため, まず受動回路部を試作し, 設計通りに機能することを実験的に確認した.
(3) 5×5光波合成チップの設計と試作
前年度に開発したウェットエッチプロセスによる垂直結合器の試作結果をもとに, 5×5光波合成チップの設計と試作を行った. 有限差分時間領域法とフーリエ光学解析により遠視野像を計算し, 十分な特性を得るためのアレイピッチと回路レイアウトを抽出した. ドライエッチングによる導波路形成とウェットエッチングによる垂直結合器の形成を組み合わせたプロセスを構築し, 素子を完成させた. 現在試作した素子の評価を進めているところである.
(4) 4×4ユニタリ変換チップの設計
大規模ユニタリ変換チップの実現に向けて, まず, 4×4ユニタリ変換チップを設計した. 当初は, 2×2可変カプラを多段に接続する方法を検討していたが, ポート数拡張に伴って光損失が増大することが明らかになったため, 干渉計型光カプラを用いた新規手法を提案し, 検討を進めている.

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

平成27年度中に目標としていた偏波制御器の高性能化, および, 能動光素子とのモノリシック集積化については, 基盤技術の開発が完了し, 概ね予定通りである.
また, 垂直結合器についても, ウェットエッチプロセスによる構造の最適化とプロセス条件の抽出が完了し, 5×5光波合成素子の試作を完成している. 評価を進める状況であり, 順調に計画が進んでいる.
一方, ユニタリ変換素子に関しては, 当初予定していた方法では損失が大きくなることが分かり設計の見直しが必要となったものの, 干渉計型カプラを用いた代替案により実装できる見込みが立っている. 当初予定に比べて設計に時間がかかっている一方で, 再検討の結果, 素子の構造が簡略化されたため, 今後, 試作が順調に進むと見込んでいる.
さらに, 大規模光回路の完成を見こして, 平成27年度中に多チャンネル任意波形発生・増幅装置を導入し, 駆動回路の検証を開始している.
以上の結果として, 平成28年度以降, 各種大規模光回路の試作から評価までのプロセスを円滑に進められる環境が整っている.

今後の研究の推進方策

平成27年度に, 量子井戸層を導入することで偏波制御器の効率が大幅に改善することを実証した反面, 受動素子部の機能に影響が生じてしまうことが明らかになった. 能動素子部と受動素子部の層構造をそれぞれ最適に設計する必要があるが, これまでに開発したオフセット量子井戸手法では, 光の閉じ込め係数が小さくなり, 所望の特性が得られない可能性が判明した. そこで今後は, オフセット量子井戸手法と併せてバットジョイント再成長法を検討し, 能動素子と受動素子のモノリシック集積を目指す.
垂直結合器に関しては, ウェットエッチングプロセスによる45°ミラーをリッジ光導波路と集積することで二次元アレイが作製できることが明らかになったので, 今後, 本手法を拡張することで大規模な光波合成素子の実現を目指す. 一方, 石英ガラス三次元光導波路チップを用いる方法については, 入力用光ファイバ, InPチップ, 石英チップの3者の光軸を同時に合わせることが予想以上に困難であることが判明し, InPチップの設計見直しを行っている. 位置合わせを容易にするため, 光増幅器を導入した新規素子を試作し検討を進めている. 今後, 上記2通りの結果を比較しながら最適な手法を選定し, 大規模光波合成回路を完成させる.
ユニタリ変換素子に関しては, 新規に提案した干渉計カプラを用いた構造の最適化を行い, 素子の試作検証を進める予定である. 平成27年度までに, 電子線描画装置と高密度プラズマエッチング装置を前倒しで導入し, プロセス条件の最適化を行ったことで, 大規模InP光集積回路の作製プロセスは既に確立しており, 素子の試作は順調に進められる見込みである.
以上により試作した光波合成回路およびユニタリ変換回路の評価にあたっては, 平成27年度に購入した多チャンネル任意波形発生・増幅装置を用いる. 各電極の駆動条件の最適化を行う自動システムを構築することで, 各種回路の評価を効率良く行う予定である.

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 10件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Q factor improvement by capsule-shaped metallic cavity structure for subwavelength lasers2016

    • 著者名/発表者名
      Baifu Zhang, Koh Chieda, Takuya Okimoto, Takuo Tanemura, and Yoshiaki Nakano
    • 雑誌名

      Physica Status Solidi A

      巻: 213 ページ: 965-969

    • DOI

      10.1002/pssa.201532561

    • 査読あり
  • [雑誌論文] (解説論文)光通信システム・データセンター用半導体集積光スイッチ2016

    • 著者名/発表者名
      種村拓夫, 中野義昭
    • 雑誌名

      0 plus E

      巻: 38 ページ: 129-135

  • [雑誌論文] Silicon rib waveguide electro-absorption optical modulator using transparent conductive oxide bilayer2016

    • 著者名/発表者名
      Masafumi Ayata, Yoshiaki Nakano, and Takuo Tamemura
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 55 ページ: 042201-1-6

    • DOI

      10.7567/JJAP.55.042201

    • 査読あり
  • [雑誌論文] (解説論文)InPモノリシック集積偏波制御回路2016

    • 著者名/発表者名
      種村拓夫, 中野義昭
    • 雑誌名

      電子情報通信学会論文誌C

      巻: J99-C

    • 査読あり
  • [学会発表] Capsule-shaped metallic-cavity semiconductor lasers for low-energy on-chip light sources2016

    • 著者名/発表者名
      Takuo Tanemura
    • 学会等名
      SPIE Conference 9892, Semiconductor Lasers and Laser Dynamics (Part of SPIE Photonics Europe)
    • 発表場所
      Brussels, Belgium
    • 年月日
      2016-04-06
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 電流注入型金属キャビティレーザの数値解析(Numerical investigation on electrically pumped metallic cavity lasers)2016

    • 著者名/発表者名
      虞伝慶
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-21
  • [学会発表] InP垂直結合型2次元光フェーズトアレイスキャニング素子の設計2016

    • 著者名/発表者名
      福田将治
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-20
  • [学会発表] InPモノリシック集積偏波アナライザの提案と試作2016

    • 著者名/発表者名
      川端祐斗
    • 学会等名
      電子情報通信学会総合大会
    • 発表場所
      九州大学(福岡県福岡市)
    • 年月日
      2016-03-17
  • [学会発表] InP集積高出力ビーム偏向素子の設計と試作2016

    • 著者名/発表者名
      小松憲人
    • 学会等名
      電子情報通信学会 集積光デバイスと応用技術研究会
    • 発表場所
      東レ研修センター(静岡県三島市)
    • 年月日
      2016-03-03
  • [学会発表] InGaAlAs/InAlAs多重量子井戸キャリア注入型偏波制御器の設計と試作2016

    • 著者名/発表者名
      鈴木健太郎
    • 学会等名
      電子情報通信学会 集積光デバイスと応用技術研究会
    • 発表場所
      東レ研修センター(静岡県三島市)
    • 年月日
      2016-03-03
  • [学会発表] Strictly non-blocking 8x8 silicon photonic switch based on optical phased array2015

    • 著者名/発表者名
      Takuo Tanemura
    • 学会等名
      41st European Conference on Optical Communication (ECOC 2015)
    • 発表場所
      Valencia, Spain
    • 年月日
      2015-09-29
    • 国際学会
  • [学会発表] Design and experimental investigation of monolithic polarization controller with InGaAlAs/InAlAs multiple quantum wells2015

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Suzuki
    • 学会等名
      International Conference on Photonics in Switching (PS 2015)
    • 発表場所
      Florens, Italy
    • 年月日
      2015-09-24
    • 国際学会
  • [学会発表] InP光導波路に結合した金属クラッド共振器型光変調器の設計2015

    • 著者名/発表者名
      千枝航
    • 学会等名
      第76回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • 年月日
      2015-09-16
  • [学会発表] InGaAlAs/InAlAs多重量子井戸を用いたキャリア注入型偏波制御器の設計と予備検討2015

    • 著者名/発表者名
      鈴木健太郎
    • 学会等名
      電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会
    • 発表場所
      東北大学(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2015-09-08
  • [学会発表] InP-based capsule-shaped cavities for sub-wavelength metallic lasers2015

    • 著者名/発表者名
      Baifu Zhang
    • 学会等名
      電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会
    • 発表場所
      東北大学(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2015-09-08
    • 招待講演
  • [学会発表] Compact silicon rib-waveguide electro-absorption modulator using multiple indium-tin-oxide layers2015

    • 著者名/発表者名
      Masafumi Ayata
    • 学会等名
      2015 IEEE 12th International Conference on Group IV Photonics (GFP 2015)
    • 発表場所
      Vancouver, Canada
    • 年月日
      2015-08-26
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical investigation on compact metallic-cavity optical modulator integrated on InP-based waveguide2015

    • 著者名/発表者名
      Koh Chieda
    • 学会等名
      2015 International Nano-Optoelectronics Workshop (iNOW 2015)
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2015-08-06
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental confirmation of Q-factor enhancement by capsule-shaped cavity for sub-wavelength metallic laser2015

    • 著者名/発表者名
      Baifu Zhang
    • 学会等名
      2015 International Nano-Optoelectronics Workshop (iNOW 2015)
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2015-08-06
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of monolithic InP stokes vector modulator using quantum confined Stark effect2015

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Suzuki
    • 学会等名
      2015 International Nano-Optoelectronics Workshop (iNOW 2015)
    • 発表場所
      東京大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2015-08-04
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of polarization-converter-integrated InGaAsP/InP MQW photodetector2015

    • 著者名/発表者名
      Kazi Mohiyuddin
    • 学会等名
      2015 International Nano-Optoelectronics Workshop (iNOW 2015)
    • 発表場所
      東京大学(東京都目黒区)
    • 年月日
      2015-08-04
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of Q factor improvement by capsule-shaped subwavelength metallic-cavity structures2015

    • 著者名/発表者名
      Baifu Zhang
    • 学会等名
      Compoud Semiconductor Week 2015 (CSW 2015, 27th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, IPRM, 42nd International Symposium on Compound Semiconductors, ISCS)
    • 発表場所
      Santa Barbara, USA
    • 年月日
      2015-06-30
    • 国際学会
  • [学会発表] 1.5-μm-band infrared photodetector with selectively-grown InGaAs microdisk on Si2015

    • 著者名/発表者名
      Tohma Watanabe
    • 学会等名
      Compoud Semiconductor Week 2015 (CSW 2015, 27th International Conference on Indium Phosphide and Related Materials, IPRM, 42nd International Symposium on Compound Semiconductors, ISCS)
    • 発表場所
      Santa Barbara, USA
    • 年月日
      2015-06-30
    • 国際学会
  • [学会発表] InP光導波路に結合した金属クラッド共振器構造の設計2015

    • 著者名/発表者名
      千枝航
    • 学会等名
      電子情報通信学会 光エレクトロニクス(OPE)研究専門委員会2015年4月期研究会
    • 発表場所
      リゾーピア熱海(静岡県熱海市)
    • 年月日
      2015-04-23
  • [学会発表] 高速スキャニングに向けた InP 光集積フェーズドアレイの評価2015

    • 著者名/発表者名
      小松憲人
    • 学会等名
      電子情報通信学会 光エレクトロニクス(OPE)研究専門委員会2015年4月期研究会
    • 発表場所
      リゾーピア熱海(静岡県熱海市)
    • 年月日
      2015-04-23
  • [学会発表] 量子閉じ込めシュタルク効果を用いた InP 系ストークスベクトル変調器の検討2015

    • 著者名/発表者名
      鈴木健太郎
    • 学会等名
      電子情報通信学会 光エレクトロニクス(OPE)研究専門委員会2015年4月期研究会
    • 発表場所
      リゾーピア熱海(静岡県熱海市)
    • 年月日
      2015-04-23

URL: 

公開日: 2017-03-16  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi