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

相变材料可编程光路研究

• 批准号: 22KJ0549
• 负责人: 宮武 悠人
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0549/
• 关键词: プログラマブル光回路; 光位相シフタ; 相変化材料; GST; 2x2カプラ; 光強度変調器; AI設計

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。

The purpose of this study is to integrate, deep learning algorithms and quantum computing in optical modulators using phase change materials. The phase change material is most commonly used in Ge2Sb2Te5 (GST), and the wavelength is 2.3 um. The phase change material is used to reduce the phase loss. This year, the loss of light phase in the use of phase change materials has been reduced, and new phase change materials have been developed. Specifically, Ge2Sb 2Te 5 5 Te atoms are replaced by Ge2Sb 2Te 3S2(GSTS). The GSTS has a low absorption of light in the near-red and mid-red areas. Add, toxic Se contains The GSTS uses the light phase to achieve the desired results. GSTS light intensity modulators are used in parallel research. GSTS optical absorption of 1.55 um in the optical phase The light intensity modulator can be used to reduce the light input loss. In addition, CMA-ES and CMA-ES have been designed to optimize the design of optical integration circuits. CMA-ES reports on the success of the project.

项目成果

Optimization of Compact and Low-loss 2×2 Si Optical Coupler based on CMA-ES

基于CMA-ES的紧凑型低损耗2×2硅光耦合器优化

• 发表时间: 2022
• 作者: Y. Miyatake;K. Toprasertpong;S. Takagi;and M. Takenaka
• 通讯作者: and M. Takenaka

Proposal of Low-Loss Non-Volatile Mid-Infrared Optical Phase Shifter Based on Ge₂Sb₂Te₃S₂

基于Ge₂Sb₂Te₃S<sub>2</的低损耗非易失性中红外光学移相器的提出

• DOI: 10.1109/ted.2023.3235865
• 发表时间: 2023
• 期刊: IEEE Transactions on Electron Devices
• 影响因子: 3.1
• 作者: Miyatake Yuto;Makino Kotaro;Tominaga Junji;Miyata Noriyuki;Nakano Takashi;Okano Makoto;Toprasertpong Kasidit;Takagi Shinichi;Takenaka Mitsuru
• 通讯作者: Takenaka Mitsuru

CAM-ESに基づく小型低損失2×2カプラの設計

基于CAM-ES的紧凑型低损耗2×2耦合器设计

• 发表时间: 2022
• 作者: 宮武 悠人;トープラサートポン カシディット;高木 信一;竹中 充
• 通讯作者: 竹中 充

Ge2Sb2Te3S2に基づく不揮発性相変化中赤外光位相シフタの低損失化,” 第70回応用物理学会春季学術講演会

基于Ge2Sb2Te3S2的低损耗非易失性相变中红外移相器，”第70届日本应用物理学会春季会议

• 发表时间: 2023
• 作者: 宮武 悠人;牧野 孝太郎;富永 淳二;宮田 典幸;中野 隆志;岡野 誠;トープラサートポン カシディット;高木 信一;竹中 充
• 通讯作者: 竹中 充

Reduction of optical loss of phase-change phase shifter based on Ge2Sb2Te5 operating at mid-infrared wavelength

降低中红外波长Ge2Sb2Te5相变移相器的光损耗

• 发表时间: 2021
• 作者: Yuto Miyatake;Chong Pei Ho;Kotaro Makino;Junji Tominaga;Noriyuki Miyata;Takashi Nakano; Naoki Sekine;Kasidit Toprasertpong;Shinichi Takagi;Mitsuru Takenaka
• 通讯作者: Mitsuru Takenaka