【公開日：2023.07.31】【最終更新日：2023.04.27】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22IT0030

利用課題名 / Title

導波路型光アイソレータおよび磁気光学デバイスの作製

利用した実施機関 / Support Institute

東京工業大学 / Tokyo Tech.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

リソグラフィ, 成膜, 膜加工・エッチング, シリコンフォトニクス, 磁気光学材料

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

庄司 雄哉

所属名 / Affiliation

東京工業大学科学技術創成研究院

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

Nguyen Than Bin ,丹下湧斗,谷口翔平,Tong Huan,矢島駿, Ni Yisheng,Liu Shuyuan,下津祐生,佐藤孝太郎,土屋直彰,千原啓太,吉田航流

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

庄司 雄哉

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術相談/Technical Consultation

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

IT-001：電子ビーム露光装置
IT-003：マスクレス露光装置
IT-007：走査型電子顕微鏡
IT-015：SiO2プラズマCVD 装置
IT-027：ダイシングソー及びダイシング補助装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

高機能な導波路型光アイソレータおよび磁気光学デバイスの作製を目的として研究を行った。導波路型光アイソレータの研究開発では低損失性を追求し、設計やプロセス依存の損失要因の究明を行った。磁気光学デバイスの研究開発では、磁化の印加を高効率に行うための磁性体の堆積条件や形状の探索、磁性体を光導波路と集積するにあたっての構造やプロセスについて検討した。

実験 / Experimental

光導波路の作製においては、450nm幅の導波路パターンを形成するために電子ビーム描画装置（IT-001）やマスクレス露光装置（IT-003）、SiO2クラッド層を製膜するためにプラズマCVD装置（IT-015）、磁性体を製膜するためにスパッタ装置（IT-028）、ウエハの切り出しや入出力端面出しのためにダイシングソー（IT-027）などを用いた。磁気光学材料の特性評価のため磁気光学効果測定装置（IT-031）などを利用した。

結果と考察 / Results and Discussion

　TEモード入力光に対して、モード変換器を結合部に有するリング共振器型光アイソレータを提案し、そのデバイス作製を行った。シリコン基板上に光導波路を形成し、磁気光学ガーネットを上クラッド層として直接接合することでFig.1(a)のようなデバイスを作製した。光学特性を評価し、挿入損失4.3dB、アイソレーション比22dBが得られ、その成果を論文誌で発表した[1]。
　磁気光学デバイスでは、光変調の高速化を目的として電流印加用の電極の高周波設計を行った。また磁気光学ガーネットの磁化反転速度を上げるために変調磁場と垂直に外部磁界を印加する手法を検討した。その結果、5 GHz程度までの高速応答を観測するができ、その成果を国際会議で発表し[6]、また論文誌に投稿している。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig.1  TEモード動作するリング共振器型光アイソレータ
Fig.2  磁気光学スイッチの高速応答動作のための磁場印加構成と測定系

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

・NEDO (JPNP16007, JPNP20004)，JST CREST (JPMJCR18T4)，科研費(19H02190)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Shuyuan Liu, TE-mode magneto-optical isolator based on an asymmetric microring resonator under a unidirectional magnetic field, Optics Express, 30, 9934(2022).
   DOI: 10.1364/OE.454751
   
2. Toshiya Murai, Light-induced thermomagnetic recording of thin-film magnet CoFeB on silicon waveguide for on-chip magneto-optical memory, Optics Express, 30, 18054(2022).
   DOI: 10.1364/OE.448460
   
3. Shun Yajima, Integrated photonic traveling salesman problem probabilistic solver with polynomial calculation time complexity, Japanese Journal of Applied Physics, 61, 052003(2022).
   DOI: 10.35848/1347-4065/ac55e2
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. {4] Y. Shoji, T. Murai, and T. Mizumoto, “Performance Estimation of Photonic Neural Network Accelerator with Magneto-optical Switch Array,” 27th OptoElectronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing (OECC/PSC) 2022, TuP-G-2, Toyama, Japan (July 3-6, 2022)
2. [5] Y. Hara, Y. Shoji, and T. Mizumoto, “Phased-array Type 1×4 Wavelength Selective Switch with Silicon Waveguides,” 27th OptoElectronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing (OECC/PSC) 2022, MD2-3, Toyama, Japan (July 3-6, 2022). [6] S. Yajima, T. Murai, Y. Shoji, N. Nishiyama, and T. Mizumoto, “High-speed Switching of Waveguide Magneto-Optical Switch with Coplanar Electrode,” 27th OptoElectronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing (OECC/PSC) 2022, WE2-2, Toyama, Japan (July 3-6, 2022).
3. [6] S. Yajima, T. Murai, Y. Shoji, N. Nishiyama, and T. Mizumoto, “High-speed Switching of Waveguide Magneto-Optical Switch with Coplanar Electrode,” 27th OptoElectronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing (OECC/PSC) 2022, WE2-2, Toyama, Japan (July 3-6, 2022).
4. [7] T. Murai, Y. Shoji, T. Mizumoto, “Light-induced Thermomagnetic Recording of Ferromagnetic Thin-film on Silicon Waveguide for Solid-State Magneto-Optical Memory,” Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2022, San Diego, USA, M2E.3 (Mar. 2022).
5. [8] 庄司 雄哉, “(招待講演) 導波路型光アイソレータの進展,” Photonic Device Workshop 2022, 機械振興会館(東京), 2022年12月

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件