共同200nm薄膜Nb₂O₅コア層を用いたMZI形光スイッチの検討

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。

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。

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。

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。