10分研究紹介

1. 1
東京工業大学大学院 理工学研究科
電気電子工学専攻 水本・庄司研究室
加藤 慶太
シリコン干渉導波路型
光アイソレータの温度無依存化

2. 2
研究背景
Titech TSUBAME
Rack to rack
SPICE
Board to board
日経BP
Chip to chip
Intel
Intra chip
220nm
520nm
Air (n=1)
SiO2
(n=1.44)
Si (n=3.48)
近距離間での光配線技術
・・・
光インターコネクション
• 石英ガラス
• Ⅲ-Ⅴ族化合物半導体
• シリコンフォトニクス
小型化・高機能化
問題
• 通信トラフィック量増大
• 情報機器の消費電力増大
導波路型光デバイス

3. 3
シリコン干渉導波路型光アイソレータ
バルク品と比較して
サイズは1/10以下
• 順方向を伝搬し、逆方向を遮断
• レーザなどへの反射戻り光を阻止
光アイソレータ
NPSRPS
-π/2+π/2
Magnetic
Field
0
Forward
+π/2+π/2
+π
Backward
Si
SiO2
Ce:YIG相反移相器
非相反移相器
磁界
3 dB方向性結合器
Forward
Backward

4. 4
温度特性
①相反移相器の等価屈折率の変化
②非相反移相効果の変化
逆方向伝搬特性温度無依存化
問題
• レーザなどの発熱
• 環境温度の変化
逆方向伝搬時の移相量
δθr
δT
=
δθRPS
δT
+
δθNPS
δT
= 0
温度上昇による移相量の変化
① ②
𝛅𝛉 𝐑𝐏𝐒
𝛅𝐓
> 𝟎
𝛅𝛉 𝐍𝐏𝐒
𝛅𝐓
< 𝟎
1530 1540 1550 1560 1570
-60
-50
-40
-30
-20
Wavelength [nm]
Transmittance[dB]
Magあり
(For)
Magあり
(Back)
Magなし
1530 1540 1550 1560 1570
-60
-50
-40
-30
-20
Wavelength [nm]
Transmittance[dB]
Magあり
(For)
Magあり
(Back)
Magなし

5. 5
Ce:YIGの温度依存定数
20 30 40 50 60
1544
1545
1546
1547
Temperature [℃]
Wavelength[nm]
20 30 40 50 60
1550
1551
1552
1553
1554
1555
1556
Temperature [℃]
Wavelength[nm]
②磁化配向あり(順方向・逆方向)①磁化配向なし(逆方向)
Ce:YIGの屈折率温度係数
𝛅𝐧
𝛅𝐓
= 𝟗. 𝟏 × 𝟏𝟎−𝟓 /𝐊
ファラデー回転係数の温度依存性
𝛅𝛉 𝐟
𝛅𝐓
= 𝟒𝟒 𝐝𝐞𝐠/𝐜𝐦/𝐊
dλ
dT
= 0.0347 nm/K
dλ
dT
= 0.05 nm/K
20 30 40 50 60
1539
1540
1541
1542
1543
1544
1545
Temperature [℃]
Wavelength[nm]
dλ
dT
= 0.0965 nm/K

6. 6
温度無依存光アイソレータ
シリコン導波路形状
高さ210 nm、幅500 nm
𝐋 𝐍𝐏𝐒 = 𝟐𝟕𝟎 𝛍𝐦
𝐋 𝐑𝐏𝐒 = 𝟐𝟎. 𝟓 𝛍𝐦 (m=29)
LNPS一定のまま
LRPSを変化
20 dB
Backward
Forward
1520 1530 1540 1550 1560
-70
-60
-50
-40
-30
Wavelength [nm]
Transmittance[dB]
20℃
40℃
60℃
LRPS =
m +
1
4
λ
neff
20～60℃の温度変化に対して
20 dB以上の高アイソレーション
逆方向伝搬時の移相量
δθr
δT
=
δθRPS
δT
+
δθNPS
δT
= 0

7. 7
工夫点・今後の課題
1. 光アイソレータの損失低減
2. 温度無依存光アイソレータの広帯域化
～工夫点～
～今後の課題～
導波路形状変化
Ce:YIG 小面積化
1. 光アイソレータ製作プロセスの改善
2. 温度特性測定方法の確立

8. 8
温度特性比較 ～補足資料～
1530 1540 1550 1560 1570
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Wavelength (nm)
Transmittance(dB)
25℃
40℃
60℃
1520 1530 1540 1550 1560 1570
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Wavelength (nm)
Transmittance(dB)
20℃
40℃
60℃
1520 1530 1540 1550 1560 1570
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Wavelength (nm)
Transmittance(dB)
20℃
40℃
60℃
m=27
m=34
m=29 (温度無依存)
m=6
1520 1540 1560 1580 1600 1620
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
Wavelength [nm]
Transmittance[dB]
20℃
40℃
60℃