相変化材料を用いたプログラマブル光回路に関する研究

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本研究の目的は、相変化材料を用いた光変調器を集積し、深層学習演算のための行列演算や量子計算のためのユニタリ行列演算を実行するプログラマブル光回路を実現することである。これまでに、相変化材料として最も一般的に用いられているGe2Sb2Te5(GST)を波長2.3um付近の中赤外領域で動作させることによって光位相シフタの損失を低減できることを実証した。本年度は、相変化材料を用いた光位相シフタの損失をさらに低減するために、新しい相変化材料の開発に取り組んだ。具体的には、Ge2Sb2Te5の5つのTe原子のうち2つをSで置換したGe2Sb2Te3S2(GSTS)を提案した。GSTSはGSTよりバンドギャップが大きく、近赤外領域および中赤外領域での光吸収が低減される。加えて、有毒なSeを含有しないという特徴を持つ。このGSTSを用いた光位相シフタを中赤外領域で動作させることによって、これまで報告された相変化材料を用いた光位相シフタとして最も低い位相シフトあたりの損失を達成した。また、このGSTSを光強度変調器として用いる研究も並行して進めている。アモルファス相のGSTが1.55umにおいて光吸収を持つのに対し、アモルファス相のGSTSの光吸収はほとんどない。これによって非常に挿入損の小さい光強度変調器が実現可能になる。併せて、CMA-ESと呼ばれる優れたアルゴリズムを用いて、S字曲げ導波路や2x2カプラといった光集積回路の構成要素となる受動素子の設計を行った。CMA-ESを用いることによって、従来報告されていた素子より挿入損を小さくすることに成功した。