水本・庄司研究室 ―研究室紹介 #8―

電気電子系では、最先端の研究施設と各分野で活躍中の教員の直接指導により、学生でも世界に誇れる研究成果を出し、自分自身で発表することができます。電気電子系には、大きく分けると「回路」「波動・光および通信」「デバイス」「材料・物性」「電力・エネルギー」の5つのグループがあります。各教員はいずれかのグループに所属しており、研究室単位での研究が行われています。

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、高機能な光波回路の実現を目指して光集積回路の開発を行う、水本・庄司研究室です。

研究分野	光回路工学、電磁波回路
キーワード	光ファイバ通信、光集積回路、オンチップ光配線デバイス
Webサイト	水本･庄司研究室

主な研究テーマ

高機能な光波回路の実現を目指して、光集積回路の開発をメインテーマとして研究を行っています。特に、光アイソレータと光能動素子の集積化、シリコン光回路を中心とする光デバイス集積化による高機能な光回路の開拓、およびその技術を応用したオンチップ光配線用波長選択スイッチの製作といった研究を推進しています。

最近の研究成果

高機能な通信システム・光信号伝送システムを構築するために、光回路の高機能化が求められています。高機能な光回路の形成には、光源である半導体レーザ、光波制御用の光変調器、光スイッチ、合分波器など、多種多様な光デバイスが必要であり、多くの光回路デバイスを一体集積化した光集積回路の開発が重要な鍵を握っています。
光アイソレータは、半導体レーザや光増幅器などの光能動デバイスへの反射戻り光の再入射を防止し、能動デバイスの安定動作に必要不可欠な光デバイスです。また、光回路中において不要な逆方向伝搬を防ぎ、光回路を所期の特性で動作させるために重要な働きをします。光集積回路の構成に必要不可欠な導波路型光アイソレータを開発するとともに、光アイソレータを半導体レーザや他の光回路デバイスと一体集積化する技術の開発を進めてます。特に、光アイソレータを実現するためには磁気光学ガーネットが必要不可欠で、半導体レーザなどの光能動デバイスと光アイソレータを一体集積化するためには、半導体上に異種結晶・磁気光学ガーネットを一体集積する技術を開発することが重要な鍵となります。本研究室では、異種結晶を直接貼り合わせるダイレクトボンディング法を開発して、これを実現しています。

集積型光アイソレータ

集積化を達成するために、光アイソレータの形成に必要不可欠な磁性ガーネットを半導体導波路に直接接合する技術（表面活性化直接接合）を開発し、光アイソレータ集積型半導体レーザの開発をすすめています。また、光回路の小型化やSi-LSIの光配線で注目されているシリコンフォトニクス用の光アイソレータの開発も進め、シリコン光回路としては世界初の光アイソレータの動作実証に成功しています[1]。その消光比や動作帯域では世界最高水準を達成し、当分野をリードする研究を行っています[2][3]。また、これを基に、シリコン光集積回路の開拓も進めています。

近年スーパーコンピュータやデータセンターにおける処理容量の増大のため、チップ間やボード間といった短距離の光通信応用に対する需要が高まっています。これまでは、単に電気配線をシリコンなどの光導波路へ置き換える研究が進められてきましたが、光導波路は電気配線に比べて回路の占有面積が大きいため、光信号の波長多重技術が重要となります。（波長多重技術を用いると、一本の光導波路に複数の光信号を伝送することができます。）
こうしたオンチップ光配線の次段階として考えられているのが「オンチップ光ネットワーク」の構想です。現在検討されている光配線がポイント・ポイント間の一対一の通信であるのに対し、オンチップ光ネットワークではチップ（またはボード）上にメッシュ状のネットワークノードを構築し波長単位で信号の伝送先を割り当てることで、CPUやメモリ間の通信において柔軟かつ安定な信号伝送を実現できます。このような背景をふまえて、シリコン基板上に集積可能な波長選択光スイッチを提案し製作を行っています。

オンチップ光配線デバイス

教員からのメッセージ

電気電子系の全研究室を紹介したパンフレットは広報誌ページでご覧いただけます。

• 広報誌
• 研究室と研究テーマ

※この内容は2016年3月発行の電気電子系パンフレットによります。最新の研究内容については各研究室にお問合せください。