【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.03.21】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
23IT0018
利用課題名 / Title
シリコン導波路を用いた光アイソレータ
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）-
【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）-
キーワード / Keywords
スパッタリング/ Sputtering,電子線リソグラフィ/ EB lithography,ダイシング/ Dicing,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,スピントロニクス/ Spintronics,フォトニクス/ Photonics
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
東工大 庄司 雄哉 研究室
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
IT-004：マスクレス露光装置
IT-038：電子ビーム露光装置
IT-027：ダイシングソー及びダイシング補助装置
IT-028：スパッタ装置（対向ターゲット式）
IT-031：磁気光学効果評価装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
シリコン光回路上に集積可能な導波路型光アイソレータの実現を目的として、研究を行った。
今年度はテーパ導波路からなるモード変換器を組み込んだ回路構成による低損失化を検討した。
磁気光学ガーネットの接合方法としてマイクロトランスファープリンティングも検討した。
大きな磁気光学効果を示すコバルトフェライト膜のスパッタリングによる堆積プロセスも検討した。
磁気光学材料中の磁化を制御するため、薄膜磁石の集積や高周波電極構造を検討した。
実験 / Experimental
220 nm厚のSilicon-on-insulatorウエハ上に電子ビーム露光装置で光導波路パターンを形成した。RIEによってトップのSi層をエッチングし光導波路を形成した。
磁気光学効果を発現させるため、磁気光学ガーネットCe:YIGを直接接合法で堆積した。コバルトフェライト膜はスパッタリング法で堆積した。
薄膜磁石や電極などのパターン形成にはマスクレス露光機を用いた。
先球ファイバによりデバイスの透過光スペクトルを測定することで光学特性を評価した。
結果と考察 / Results and Discussion
マイクロトランスファープリンティングでは、磁気光学ガーネット結晶の薄膜加工が必要であり、薄膜化とパターン化、ウェットエッチングによる中空構造化を行った。その後、共同研究先で実施した接合によって光アイソレータを試作し特性評価を行った。外部磁界の印加によって非相反な波長シフトが観測され、アイソレーション比14 dBの光アイソレータ動作に成功した。
Si基板上にコバルトフェライト膜を堆積し、大きなファラデー回転係数と低い光吸収損失が得られた。リング共振器型光アイソレータを試作し、光アイソレータ動作に成功した。
高周波の電極を形成した磁気光学スイッチを試作し、強磁性共鳴の観測と2GHz程度の動作速度を計測することに成功した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
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)
-
Daiki Minemura, Compact magneto-optical isolator by µ-transfer printing of magneto-optical single-crystal film on silicon waveguides, Optics Express, 31, 27821(2023).
DOI: 10.1364/OE.497731
-
Daiki Minemura, Design of ultra-low-loss magneto-optical isolator fabricated by µ-transfer printing, IEICE Electronics Express, 21, 20230521-20230521(2024).
DOI: 10.1587/elex.20.20230521
-
Shun Yajima, High-speed modulation in a waveguide magneto-optical switch with impedance-matching electrode, Optics Express, 31, 16243(2023).
DOI: 10.1364/OE.480835
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 佐藤孝太郎，庄司雄哉，“超小型磁気光学デバイスに向けたコバルトアルミフェライト薄膜の特性評価”，電子情報通信学会ソサイエティ大会（名古屋），令和5年9月12日
- 下津 裕生，矢島 駿，西山 伸彦，庄司 雄哉，“導波路型光ニューロンに向けた光磁気変換メモリの作製”，電子情報通信学会ソサイエティ大会（名古屋），令和5年9月12日
- 土屋直彰，庄司雄哉，“不揮発光ゲート素子を使った光積和演算回路に向けた リング共振器アレイの作製”，電子情報通信学会ソサイエティ大会（名古屋），令和5年9月12日
- 千原啓太，庄司雄哉，“フェーズドアレイ型1×N波長選択スイッチに向けた スターカプラの性能向上”，電子情報通信学会ソサイエティ大会（名古屋），令和5年9月13日
- 庄司雄哉，“シリコン導波路型光アイソレータの低損失化と 薄膜集積技術の開発”，フォトニックデバイス・応用技術研究会第3回研究会（厚木），令和5年10月25日
- Liang Zhu, Yuya Shoji，“Remotely Controllable All-Optical MZI-based Thermo-Optic Switch”，2023 IEEE Photonics Conference（Orland），令和5年11月15日
- Yuya Shoji，“Magneto-optical devices for photonic computing”，SPIE. Photonics West 2024（San Francisco），令和6年1月29日
- Yuya Shoji，“Recent progress on integrated magneto-optical isolators”，SPIE. Photonics West 2024（San Francisco），令和6年1月30日
- 庄司雄哉，“集積型光アイソレータの進展と磁気光学結晶集積化技術”，電子情報通信学会総合大会（広島），令和6年3月7日
- Yuya Shoji，“Non-volatile Optical Memory and Switch with Magnetic Material Integration ”，2023 IEEE Silicon Photonics Conference（Arlington），令和5年4月5日
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