研究内容

Si上III-V族メンブレン光集積回路

LSIの高速化・高集積化はムーアの法則に従い素子の微細化・低電圧化によって達成されてきましたが、将来的には更なる微細化に伴い素子間の配線におけるRC遅延や発熱、高抵抗化といった問題が懸念されておりこれらがLSI全体の性能を律速してしまう要因になると考えられています。その解決策の一つとして近年有望視されているのが電気配線の光配線への代替です。本研究室では電気配線に代わる光配線技術として薄膜に加工したIII-V族半導体を用いたメンブレン光集積回路(Membrane photonic integrated circuits)を提案・研究しています。メンブレン光集積回路においてはメンブレン半導体コア層の上下に低屈折率材料を用いたクラッド層を形成することで高屈折率差導波路構造を実現できます。これにより従来構造に比べ小型かつ極低消費電力動作が可能なデバイスが実現できます。実際に世界最高高速動作効率の分布反射型レーザなどを実現しています。

III-V/Siハイブリッド光集積回路

近年のインターネットトラヒックの増大に伴い、高効率・大容量な光ルーティング機能を有する大規模な光集積回路が求められています。そのアプローチとして、Siプラットフォーム上へIII-V族半導体による光源や増幅器といった光アクティブデバイスを作製するIII-V/Siハイブリッド集積が有効です。Siは通信波長帯において透明で低損失かつ小型の光回路を作製できることに加えて、CMOSプロセスを利用した低コストで大規模な光電集積が可能であり、InPなどのIII-V族半導体は直接遷移半導体であるため、間接遷移半導体のSiでは作製困難な発光デバイスを実現できます。本グループでは、ハイブリッド集積におけるInP光源とSi光回路それぞれの特性とそれらを組み合わせた構造に着目し、InPもしくはSiだけでは実現困難な多機能な光集積回路を研究しています。また、この技術は、別に取り組んでいる光レーダー(LiDAR)の光源としても有望であり、大きな注目を集めています。

異種材料集積技術

異種材料集積は、複数の材料の「いいとこどり」をするために将来の必須技術です。例えば、別に取り組んでいるハイブリッド光集積回路は、この技術の使用が前提となっています。糊を使わず接合するというところがポイントです。ただし、使う材料、アプリケーションによってどの異種材料集積技術を使うかは異なります。我々は、表面活性化常温接合、プラズマ活性化接合、親水化接合、そして樹脂接合など複数の技術を有し、さらに、ウェハ接合だけでなく、大型基板に小片チップを大量に接合するChip-On-Wafer接合など形態も様々です。

メタマテリアル光機能デバイス

光通信帯において、全ての物質の比透磁率µは1です。通信光学・導波路光学などの教科書に載っているマクスウェルの方程式には透磁率の項は一切登場せず、比誘電率εのみについて扱われていることからも、その事実を確認できます。光通信分野において、この制約を超えることは非常に大きな意味を持ちます。この制約を取り払うことで、従来技術では実現困難であった様々な素子動作が可能となると考えられます。

近年、マイクロ〜ナノサイズの金属構造体中における自由電子の振動を利用することで、物質固有だと思われてきた誘電率や透磁率の値を人工的に制御し、自然界に存在しない物質を作り出す研究が盛んに行われています。このような人工物質は、“メタマテリアル”と呼ばれます。当研究グループでは、従来のInP系導波路型光デバイスに“メタマテリアル”の概念を導入することで、デバイス内の誘電率および透磁率の値を制御し、新しい概念を持った素子実現の可能性を検討しております。

LiDAR 光レーダー

光レーダー、通称LiDAR (Light Detection and Ranging) は、将来の自動運転、ドローン、ロボットの目として必須の技術です。通常のカメラと異なり、画像処理で距離を測定するのではなく、「直接」距離を測定します。それにより、どんな環境でも高い信頼性をもって距離を測定することができます。しかしながら、現在の数百m先を見通せるLiDARは、高価かつ大型であり、すべての車に搭載することは困難です。我々はハイブリッド集積技術を利用し、小型で大量に作製できるLiDARを実現しようとしています。また、それを利用した機械学習による物体認識も行っています。

多波長レーザを利用したGrid-Free WDM

波長多重(Wavelength Division Multiplexing (WDM)通信は、現在のインターネットなどの大容量ネットワークで必須の技術です。しかしながら通信波長を一定に保つため温度を正確に制御しなければいかないなどの問題があり、これは消費電力の増加も引き起こします。これを解決するため通信波長の絶対値にとらわれないWDMシステムを共同研究しています。そのためには、多くの波長を発振可能な多波長レーザが必須であり、それを実現し、さらに高密度集積するための技術に取り組んでいます。

トポロジカル光回路

光渦モードは、その波面の螺旋周期に情報を乗せた伝送(光渦多重化方式OAM : Orbital angular momentum multiplexing)が可能であり、将来の多重化技術としての期待が高まっています。しかし、この実現への障壁として、現行の光通信で利用されている光回路中での動作モードがTE/TMに制約されていることが挙げられます。そこで我々は、従来の光回路の一部としてトポロジカルフォトニクスデバイスを組み込むことで、光渦を用いた新たな機能を持つ光回路の発明に取り組んでおります。

東京工業大学 工学院 電気電子系 西山研究室

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