省電力光ルータの実現に向けた新規光論理ゲートの提案とその解析設計理論の構築

一种实现节能光路由器的新型光逻辑门的提出及其分析设计理论的构建

基本信息

批准号：
12J02493
负责人：
石坂雄平
金额：
$ 1.92万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J02493/
关键词：
集積光デバイス光導波路光論理ゲート有限要素法フォトニック結晶表面プラズモンポラリトンフォトニック結晶ナノ共振器非線形光学効果シリコンフォトニクス光集積回路表面プラズモンスローライトスロット導波路

项目摘要

本研究では，2次元フォトニック結晶ナノ共振器における非線形光学現象に着目することで，集積化，高速動作および低消費電力を同時に満足する光論理ゲートの基盤研究を推進することを目的としている．低消費電力な光論理ゲートを構成するためには，高いQ値かつ小さいモード体積をもつ光共振器を構成する必要がある．そうすることで共振器中の光と物質の相互作用が高まり，非線形光学効果を増強することができる．前年度までの研究では，微小光共振器を高精度に解析可能な3次元ベクトル有限要素法を開発するとともに，極めて小さいモード体積を達成する光共振器として，金属壁と1次元フォトニック結晶で挟み込んだ表面プラズモン共振器構造を提案した．次の段階として，このような微小共振器を多段に接続した導波路の非線形光学特性を厳密に評価可能な手法の構築が必要となる．そこで本年度の研究では，周期構造における非線形光学効果を評価するために，非線形モード解析のための3次元ベクトル有限要素法を開発した．さらに，計算コストを削減可能な非線形定数の評価手法を提案し，非線形モード解析のための3次元ベクトル有限要素法による結果とよく一致していることを示した．また，本年度の研究では，金属アシスト型シリコンスロット導波路を提案し，金属層を用いない従来のスロット導波路に比べ，低屈折率領域の光閉じ込め係数を2倍程度に向上できることを示した．スロット導波路の低屈折率層に非線形光学係数の高い材料を用いることで非線形光学効果を増強できることが知られていることから，従来構造を提案構造に置き換えることで，さらなる非線形光学効果の向上が期待される．このような知見は低消費電力光論理ゲートの高性能化において有用であると考えられる．

这项研究旨在促进对光学逻辑门的基础研究，这些研究通过关注二维光子晶体纳米甲释放剂中的非线性光学现象来同时满足整合，高速运行和低功耗。要构建低功耗的光学逻辑门，有必要构建具有较高Q值和较小模式量的光谐振器。这增加了谐振器中光和材料之间的相互作用，并增强了非线性光学效应。在研究之前，我们开发了一种3D矢量有限元方法，该方法允许对微光谱谐振器进行高精度分析，并提出了一个夹在金属壁和一维光子晶体之间的表面等离子体谐振器作为光学谐振器，以实现极其小的模式。在下一步中，有必要构建一种可以严格评估连接到微孔子多个阶段的波导的非线性光学特性的方法。因此，在今年的研究中，我们开发了一种非线性模式分析的3D矢量有限元方法，以评估周期性结构中的非线性光学效应。此外，我们为非线性常数提出了一种评估方法，该方法可以降低计算成本，并表明它与非线性模式分析的3D矢量有限元方法的结果非常吻合。在今年的研究中，我们提出了一个金属辅助硅插槽波导，表明低折射率区域中的光限制系数可以改善约两倍的两倍，而不使用金属层的常规插槽波导。众所周知，可以通过使用带有较高非线性光学系数的材料在槽口的低折射率层中使用高非线性光学系数的材料来增强非线性光学效应，从而预期将常规结构替换为常规结构，预计将进一步改善非线性光学效应。此类发现被认为可用于改善低功耗光学逻辑门的性能。