卒業研究のご紹介
2021年版

電気電子系所属学生

共同200nm薄膜Nb2O5コア層を用いたMZI形光スイッチの検討

武田 貴希(代表者)山形県
大学院電気電子工学専攻 博士前期課程1年
(工学部電気電子情報工学科2021年3月卒業)
山形県 創学館高等学校出身
古知屋 将吾神奈川県
工学部電気電子情報工学科2021年3月卒業
神奈川県 三浦学苑高等学校出身

研究の目的

近年様々なサービスの普及により、データセンターやネットワークなどの通信トラフィックが増加しています。ネットワーク内のノードに主流である電気スイッチを使用しています。機械式光スイッチに置き換えることで変換器が不要になりますが、集積性に問題があります。そこで小型で大規模集積化が可能な光スイッチが必要です。私たちの研究では、理論解析やシミュレーションソフトを用いて導波路のパラメータの検討、また微細加工技術を使用した導波路の形成などを行いました。その結果を使用して製作及び測定をしました。また大規模の集積化を実現するとデータセンター内で、少ない電力で動作し、より多くのデータを扱うことのできる環境の実現に貢献できます。

研究内容や成果等

■ 素子設計

私たちが研究した光スイッチは、基本構造としてMach–Zehnder Interferometer(MZI)導波路を用いている。
2019年度に設計された対称MZI形導波路は本来の動作とは異なりBarportに集光していることが分かり、その原因を調査した。調査した結果MMIカプラの位相が逆になっていることが分かった。そこで今年度はMMIカプラ見直しを行い再設計した。新規MMIカプラの設計にはビーム伝搬法を用いてビーム伝搬法によるシミュレーションを行った。シミュレーション結果を図1に示す。図よりMMIカプラのInportに入った光がOutportでは1:1で等分岐していることが分かる。

図1 新規MMIカプラのシミュレーション結果
そして、新規MMIカプラを組み込んだ対称MZI形光スイッチと非対称MZI形光スイッチを製作した。図2に対称MZI形光スイッチの概要を示す。

図2 対称MZI形光スイッチの構成図
図3に対称MZI形光スイッチのシミュレーション結果と波長特性の図を示す。シミュレーション結果から対称MZI形光スイッチの動作としてInportに入射された光はCrossportに出射されていることがわかる。波長特性のグラフを見ると赤線が極めて0dBに近いところに位置しており、光の損失がほとんどないことを意味している。それにより無駄なく光を伝搬することができる。

図3 対称MZI形光スイッチのシミュレーション結果

■ 測定結果

図4に製作した対称MZI形導波路は測定結果を示す。なお、上部クラッドがAirの状態で測定を行い、Inport2に光を入射している。昨年度のMMIカプラと比べて、今年度のMMIカプラは損失や光の等分岐などは一緒だが位相が変わっているためCross portに集光していることを確認した。しかし、2019年度のものと比べると漏れ光が多いことが目立つ。その原因としてリブの高さが目標としている値よりも低いこと、導波路の側面の荒れが損失の原因になっていることなどが挙げられる。 

図4 上部クラッドがAirの対称MZI形導波路
図5に上部クラッドがAirの状態の非対称MZI形導波路の測定結果を示す。波長特性を見ると、outport1と2の光の損失が同じレベルで光が出力されている。MMIカプラのシミュレーションの段階でほぼ等分岐していることから、非対称MZI形導波路に組み込んでも消光比に大きなずれが生じずに出力されると考えている。

図5 上部クラッドがAirの非対称MZI形導波路

■ まとめ

コア層200nmのMZI形導波路の再設計・製作・評価を行い、シミュレーションで製作誤差に強く等分岐するMMIカプラを設計した。対称MZIはcross port に集光を確認し、非対称MZIではΔλFSRは13nmを得た。今後の課題として漏れ光の低減、ドライエッチング条件の検討が挙げられる。
指導教員からのコメント 光機能デバイス研究室教授 中津原 克己
武田君と古知屋君が取り組んだ研究は、膨大なデータを高速に伝送するために不可欠な光スイッチの集積化・低消費電力化に向けたものです。光スイッチの集積化と低消費電力化のために、200nmという薄いコア層を用いた導波路を実現することに挑戦しました。特に、2019年度の卒業研究で先輩が試作した導波路の課題であった、理論的な特性と実際の特性に違いが生じる要因について、1つ1つ丁寧に調べました。そして、その要因であったMMIカプラという、光の分岐と結合を担う部分の設計において実際の素子の状態を反映させた理論解析を行い、光スイッチの動作に必要な特性の実証に成功しました。大学院に進学する武田君には、さらに研究を発展させ、集積化した光スイッチの低消費電力動作を実現させて欲しいと思っています。
修士研究学生からの一言 武田 貴希
本学で学んだ中で、多方面からアプローチして考える力が身につきました。大学入学時までは何も考えず物事を進めていましたが、必要な単位数やどのような科目をとるかなど考えなければならないことが増えました。研究活動を行うにも考えて動かなければ前に進まないので、今まで考える癖をつけてこなかったので大変な作業でした。しかし、研究活動を行う中で、輪講を通じて先生や先輩、また研究室のメンバーの考えを聞いて参考にしたりすることで成長をしていると感じるようになりました。