リコンフィギュラブルな自己組織化導波路による光配線技術
Optical Wiring Technology with Reconfigurable Self-Organization Waveguide１．はじめに
社会・経済構造の改革、高齢化社会や環境問題への対応などの課題を解決する有効な手段として高度情報
通信社会の構築が急がれる中、近年では、WDM 技術*1を中核とした光ファイバ通信の重要度はますます増大
し、その高機能化と FTTH*2 の普及も加速している。
このような状況において、光情報通信工学全般にわた岡本

淳 (Atsushi OKAMOTO, Dr. Eng.)

る技術的課題として、光ファイバや光導波路素子など

北海道大学大学院情報科学研究科准教授

を含む光コンポーネント間の接続技術がある。接続す(Graduate School of Information Science and Technology,
Associate Professor, Hokkaido University)

る光コンポーネントの代表的例として、光ファイバ同士の接続があるが、光ファイバ、発光素子、受光素子、

電子情報通信学会 日本光学会 The Optical Society of America 会員
研究専門分野：光通信

光記録

光導波路チップなどがアレイ化・集積化される中で、

光計測

ますますこれらの間の自由で容易な接続法の確立が求められてきている。
本研究の目的は、光コンポーネントのアレイ化・集積化によって構造の複雑化や空間並列化が進み、調芯がますます困難になる現状において、そもそも光集積回路や導波チップ間の調芯を不要にするための新規技術を確立する事にある。本研究で提案する光接続技術
は、任意の光コンポーネント間に光コネクト媒質を設
置（ラフな配置で良い）することにより、コンポーネント間に自動的に光接続が実現するものであり、一種の自動光配線技術と考えることもできる。特筆すべき
あらまし

点としては、アクティブな調芯技術の問題点である人

本研究では、リコンフィギュラブルな自己組 織 化 光 導 波 路 (Reconfigurable Self-Organization

手や電子制御による複雑な調整が不要であると同時に、

Waveguide: RSOW) の新たな実現手法を提案し、頻繁パッシブな調芯技術の問題点である高精度な部品が不な着脱に対応した簡易コネクティングと導波路の書き要であるという利点を併せ持つことである。さらに、換えによるルーティング・スイッチングを両立した柔本方式の接続自由度が大きいことは、コンポーネント

軟性のある光配線デバイスの実現を目指す。まず、基間の光接続が実現した後に、相互接続しているコンポ

盤技術となるフォトリフラクティブ効果と相互励起型

ーネントを他のコンポーネント（同種、または異種い

位相共役鏡について検討する。特に、本研究目的に最ずれも可）と交換しても、新しいコンポーネントに適適化された光コネクト材料である Sn2P2S6 結晶を開発合する光導波構造が自動的に再構成される点、また、し、その諸特性を明らかにする。次に、RSOW の接続

複数の配線設定を切り替えることが可能である点など、効率について、ビーム強度比依存性や偏光角依存性な

これまでにないリコンフィギュラブル（可変的・再構

どの観点から検討を行う。また、RSOW におけるリコ成可能）な配線技術をもたらすものである。

ンフィギュラブルな動作を検証するために、3 台のレ本研究では、前記目的を実現する基盤技術として、ーザを用いた接続切り換え実験を行う。さらに、RSOW

フォトリフラクティブ効果(1)と相互励起型位相共役鏡の３次元光配線への応用を視野に入れ、複数の RSOW

(Mutually Pumped Phase Conjugate Mirror: MPPCM) (2)構造を１つのフォトリフラクティブ結晶内に積層形成について検討する。フォトリフラクティブ効果とは光可能である事を示す。

の照射により、物質の屈折率が変化する現象である。
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Optical Wiring Technology with Reconfigurable Self-Organization Waveguide

屈折率の変化を制御できれば導波路の形成も可能であ光スイッチングの技術を応用して接続切り換えを行う

り、本研究では、用いる光コンポーネントからの出射手法が注目を集めている(5) 。光スイッチング技術に関光によって自動的に光相互接続を実現するための手段

しては、微小電気機械素子（Micro-Electro-Mechanicalとしてフォトリフラクティブ効果による MPPCM を活

Systems: MEMS）(6) 、熱光学（Thermo-Optic: TO）(7) 、用する。MPPCM は、位相共役波*3 の発生技術として

電気光学（Electro-Optic: EO）(8)、マルチモード干渉知られるが、本研究においては、リコンフィギュラブ

（Multi-Mode Interference: MMI）(9) 等をベースとしルな導波路形成への展開を志向する。応用面では、リた様々な研究がなされている。しかし、いずれの技術

コンフィギュラブルな自己組織化導波路においてもデバイス作成過程で用途に応じた高精度の(Reconfigurable Self-Organization Waveguide: RSOW) と設計が必要であるために汎用性に欠け、着脱可能な自*4

いう観点から、簡易な調整による光相互接続 、光フ

由な光配線を実現することは難しい。

ァイバの着脱に対応した簡易コネクティングと導波路

本研究では、新たにフォトリフラクティブ効果によ自身の再構成によるルーティング・スイッチングを可る MPPCM をベースとした RSOW を提案することで、能にする新規デバイスを開発する。また、上記研究目

頻繁な着脱に対応した簡易コネクティングと導波路の的を達成するための光コネクト材料としては、従来型書き換えによるルーティング・スイッチングを両立しのフォトリフラクティブ材料よりも大幅に感度が高くた柔軟性のある光配線デバイスの実現を目指す(10)。こ

波長域の広い Sn2P2S6 結晶を新たに開発する。

こで、自己組織化とは生命活動に代表される自分自身で組織や構造を作り出す性質であり、この概念は結晶成長(11) や半導体ナノ構造の形成(12)，自己組織化マップ

２．リコンフィギュラブルな自己組織化導波路(13)(RSOW)など様々な分野で広く応用されている。この自己組接続される光コンポーネントの種類を選ばない簡易織化の性質を利用した本手法は、光の相互作用によっな光コネクティング手法として、近年注目されているて自律的に誘起される屈折率格子を光接続導波路とし(2)技術の一つが自己形成導波路 である。自己形成導波て扱うため、従来のような接続する光コンポーネント

路は光硬化樹脂を利用してビームの伝搬経路をそのまの位置を合わせる様な調芯が不要であり、高い位置ずま導波路として定着させるため、高精度なアライメン

れ・角度ずれトレランスを確保出来る。本研究におけ

トなしに低損失なファイバーカップリング・光配線がる RSOW の大きな特長は、光コネクト材料中での自可能であり、最新の研究ではシングルモードファイバ

律的な導波路形成と導波路の再構成による接続切り換(3)えを両立している点にあり、片方向通信を仮定した場と高い位置ずれ耐性 が実現されている。しかし、樹合、図１に示す様に複数の信号光を１つの制御光で一脂の硬化作業には非常に手間がかかり、一度導波路と括管理して振り分けを行う事が出来る。制御光は空間して完成してしまうと経路の変更が出来ないといった

光変調器 (Spatial Light Modulator: SLM)*5 によっ特性を有しているため、光ファイバ等の伝送路を自由て強度変調されており、この変調パターンを電子的にに着脱するという使い方には向いていない。

制御する事で接続先を自在に変更することができる。

ー同士の接続でつき合せ接続よりも小さな接続損失(4)

また、上記の様な光接続デバイスに加え、光通信の具体的な接続切り換えの原理を図２に示す。本手法

民生分野への用途拡大のためには光信号を電気信号にでは、信号光と制御光の相互作用によって誘起される

変換する事なく接続切り換えを行うルーティングデバ

多数の屈折率格子（空間的に変調された屈折率成分）

イスの開発も重要な課題である。しかし、現在はこのを用いて導波路を形成するため、屈折率格子を光コネ

ルーティング操作は、比較的低速なものでも電子制御

クト材料内の任意の位置で自在に形成・消去する技術が中心であるがために装置の大型化、発熱、消費電力が必要になる。このため、制御光を SLM によって空の増加等を引き起こす。この問題の解決策として、あ間分割して管理し、信号光と制御光が重なり合う領域

らかじめ分岐点にアレイ型導波路等を製作しておき、（相互作用領域）を自由に変更出来るような光学系を
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Optical Wiring Technology with Reconfigurable Self-Organization Waveguide用いる。図２において、制御光を Ch.1 から Ch.2 に切し て は 主 に BaTiO3 （チ タ ン 酸 バリ ウ ム ）結 晶 やり替えると、ただちに新たな相互作用領域において回LiNbO3（ニオブ酸リチウム） 結晶が用いられてきた折格子が成長し始め、同時に旧領域の回折格子が消滅

が、これらの結晶は応答速度が遅く、高速処理を必要するので、何度でも導波路を作り替える事が出来る。

とするデバイスへの応用は不向きであった。新たな結図２では SLM によって入射位置のみを変更する場合

晶の開発において最近大きな注目を集めているのが、が示されているが、入射角度の変更に対しても自律的1991 年に初めてフォトリフラクティブ効果が確認さに導波路を再構成出来るため、光接続に伴う調整が大れた Sn2P2S6（Tin Hypothiodiphosphate: SPS）結晶

幅に緩和されると共に、非常に自由度の高い接続が可である(14)。Sn2P2S6 結晶は感度が非常に高いため、近能になる。また、２つのビームが光コネクト材料内で赤外波長帯でしばしば用いられる Rh:BaTiO3 結晶と交差していれば導波路形成が可能であるため、双方向比べ数十から数百倍の応答速度を示す(15)。また、電気通信にも比較的容易に応用が可能である。

光学係数が従来の結晶と比べて大きく、530-8000nmという広範囲の波長帯に透明領域が存在し、特に530-1550nm の範囲では強い結合強度を示すという性

３．高性能なフォトリフラクティブ材料の開発
RSOW においては、導波路が光の相互作用によって質もある(16)。このように、Sn2P2S6 結晶は従来の材料

自律的に形成されるため、自由度の高い光配線を容易よりも赤から近赤外の波長帯において優れたフォトリに実現出来るものの、導波路を再構成する際には再びフラクティブ特性を有しているため、通信系の次世代励起時間が必要となる。この励起時間は、光コネクト

アプリケーションへの応用が期待できる。
本研究では、Uzhgorod National University（ウク材料であるフォトリフラクティブ結晶の応答速度に大ライナ）の Alexander A. Grabar 教授との共同研究に(1)

きく依存する 。従来、フォトリフラクティブ媒質と

図１ RSOW の概念図 複数の信号光を１つの制御光で管理し、任意のポートに振り分ける事が出来る。
振り分けは SLM で強度変調パターンを変更する事で行う。

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Optical Wiring Technology with Reconfigurable Self-Organization Waveguideより、Sn2P2S6 結晶にアンチモン（Sb）を 1.5％ドーて比較的低い吸収でありながら高い結合効率を示すた

プした新結晶の開発に成功した。本結晶は波長 633nm

めに可視光域での原理実験に非常に適しており(17)、かに特化した高い感度を有し、他の Sn2P2S6 結晶と比べ

つ導波路形成時間の短縮を図る事が可能となる。

図２

RSOW による接続切り換えの原理図 まず、信号光と制御光の相互作用で接続導波路を形成し、SLMを用いて制御光のフォトリフラクティブ結晶への入射位置をずらす事で出射光の経路を変更する。
その際、元の導波路は自動的に消滅する。

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４．相互励起型位相共役器 (MPPCM)のビームが生成する回折格子に対して消去光として働

フォトリフラクティブ結晶中での MPPCM の形成

くため、一旦生成した回折格子の大半は新たに誘起さにおいては、２本のビームは互いにインコヒーレント

れ続ける回折格子によって次々と書き換えられる。し*6 であるために直接干渉はせず、それぞれのビームがかし、一方のファニング光のある成分と他方の入射光

ビームファニングを起こす（図３（a））
。この時、互いが対向伝搬となる時、位相整合条件を満足する回折格（a）互いにインコヒーレントな２本のビームを入射すると、それぞれがビームファニング現象を起こす。ビームファニングでは、結晶の特定の方向に、多数の散乱光が発生する。

（b）互いの光ビームが共有する回折格子のみが強く書き込まれ、この回折格子が接続導波路の役割りを果たす。
図３ MPPCM の形成過程

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Optical Wiring Technology with Reconfigurable Self-Organization Waveguide子が生成され、この条件を満たす回折格子のみが互い

Sb-dopedSn2P2S6 結晶を、光源として波長 632.8nm のに共有状態となって安定する。最終的に残った回折格

He-Ne レーザを２台用いた。ここで、Laser 1 と Laser

子によって、
入射光 A1 と A2 は互いの位相共役光 A2*、

2 から出射される光波をそれぞれ信号光および制御光A1*となって回折されるため（図３（b））、これらの回と呼ぶ。結晶への入射角は最大の結合強度を得るため

折格子群は RSOW を構成する導波路として扱うことに 22°とする。信号光は半波長板 (HWP1) と偏光ビーができる。また、位相共役光は入射光の位相を逆転さムスプリッタ(PBS1)によって，制御光は半波長板

せて同一の経路をたどって戻っていくという性質を有(HWP2)と偏光ビームスプリッタ (PBS2) によって結するため、RSOW においては、接続する光学素子の位晶直前で Psig（信号光のパワー) =Pcontrol（制御光のパ置や角度の調整が不要となり、光ファイバなどのアラワー）= 3200 [W] となる様にパワー調節され、かつインメントが大幅に簡素化される。位相共役光を簡単

p 偏光に統一される。その後、半波長板 HWP3 とに生成する事が出来る MPPCM の応用は、通信分野(18),

HWP4 で偏光角を変更する。もし導波路が正しく形成においてもされれば、信号光は結晶内で回折し，PBS2 で反射さ(19)-(22)のみならず光ストレージ分野(23), (24)

注目されている。

れて光検出器（PD2）で観測される。同様に制御光はRSOW の接続効率を安定化させるためには入射光光検出器 (PD1) で観測される。図５に反射率・透過波の偏光方向を適切に設定する必要がある。図４に接率・回折効率の偏光角依存性をプロットした実験結果

続効率の偏光依存性を調べるための実験系を示す。本を示す。偏光角依存は，s 偏光成分が多くなればなる

実験では、フォトリフラクティブ材料として光波伝搬ほど大きく器（PD2）で観測される。同様に制御光は方向（z 軸方向）に 6mm の厚さをもつ 1.5%光検出器 (PD1) で観測される。図５に反射率・透過

図４

RSOW 接続効率の偏光角依存性を確認するための実験系
光源に He-Ne Laser を２本用いる事で、互いにインコヒーレントな信号光と制御光をフォトリフラクティブ結晶(Sn2P2S6)に入射している。

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Optical Wiring Technology with Reconfigurable Self-Organization Waveguide（a）信号光の反射率・透過率・回折効率（b）制御光の反射率・透過率・回折効率．

図５

反射率・透過率・回析効率の偏光角依存性

7回析効率が RSOW の接続効率である。

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率・回折効率の偏光角依存性をプロットした実験結果

５．RSOW における光接続切り替え実験を示す。偏光角依存は、s 偏光成分が多くなればなる

RSOW のリコンフィギュラブルな特性を調査するほど大きくなり、この結果は理論値とほぼ同じ結果でため、導波路の自己形成後に、別の導波路を再形成し、あった。次に、透過率に関して、s 偏光成分が多くな

光接続の切り替えが可能であることを実験によって示ると急激に増加している事がわかる。これは、Sn2P2S6

す。特に、３次元光配線への応用を視野に入れ、複数結晶が p 偏光の光波に対してほとんど感度を示さないの RSOW 構造を１つのフォトリフラクティブ結晶内という事実に即している。この偏光依存は、接続するに積層形成することが可能である事も示す。

伝送路の種類によっては RSOW の接続効率が大きく

積層型 RSOW においては、信号光の入射位置を固低下する事を容易に想像させるが、本研究では、偏光定し、図２に示す制御光（Ch.1, Ch.2, Ch.3）を切り補償光学系の導入によって実質的に偏光無依存な光接替えることで、導波路の書き換えと光接続の切り替え

続を可能にする方法も開発した

(25)

。

が可能である事を確認する。さらに、紙面の垂直方向

光波間のエネルギー移動を本質とするフォトリフラ

には、導波路の接続切り換えを行う RSOW を多層化

クティブ効果は、入射ビームの強度比（信号光の強度/することができる。実験では、１つの フォトリフ

制御光の強度）によって振る舞いが大きく変化する。

ラクティブ結晶内に 2 つの RSOW を積層形成可能で

互いにインコヒーレントな信号光と制御光を用いるある事を示す。

RSOW も例外ではなく、光強度比が導波路を構成する

実験系を図６に示す。本実験では、6mm の厚さを回折格子の空間分布に影響を及ぼす。本研究では、図もつ 1.5% Sb-doped Sn2P2S6 結晶を、光源として波長４から HWP3 と HWP4 を省いた実験光学系を用いて、632.8nm の He-Ne レーザを３台用いた。
ここで、Laser

光強度比に対する回折効率の特性を調査した。まず、1 から出射される光波を制御光、Laser 2 と Laser 3

制御光パワーPcontrol を結晶直前で 3000W とし、信号から出射される光波を信号光と呼ぶ事とし、これらは光パワーPsig を 300-6000W の範囲で 300W ごと変

互いにインコヒーレントである点に注意する。また、化させて、信号光の回折光を PD2 で計測し、回折効率

信号光は垂直方向に並べられ、制御光は空間フィルタを計測した。その後、回折効率のビームパワー依存性

によって空間的な強度分布を与えられる。結晶への入を 調 べ る た め に 、 Pcontrol を 1000W 、 5000W 、射角は最大の結合強度を得るために 22°とし、入射偏6850W と変化させ、同様の実験を行った。結果とし

光は p 偏光とした。導波路が正しく形成されれば、信て、回折効率はビーム強度比 1.0 のときに最大値をと

号光は結晶内で回折し、ビームスプリッタ（BS）で反り、ビーム強度比が 0.7～1.3 の範囲では最大回折効率射されて撮像素子（CCD）で観測される。

からの効率減少が 5%以内であった。この結果より、実験に用いた制御光の強度分布パターンと、それにRSOW の接続効率を確保するためには、信号光と制御対応した出射光の画像を図７に示す。ここで、制御光光の強度比を 0.7～1.3 以内にすべきことがわかる。次の左部の半円パターンは擬似的に結合強度を増加させに、全体の光強度を小さくすると（Pcontrol = 1000 [W]るための補助光として用いた。図７(a)の制御光パターのとき）、ビーム強度比が 0.4～1.2 の間でしか導波路

ン（Control Beam Patterns）と図６、７(b)の出射光は形成されなかった。これは、照射する光波の強度不パターン(Output Beam Patterns) を比較することで、足によってフォトリフラクティブ結晶内のキャリア電用いた制御光のパターンに応じて信号光の出射位置が子が十分に励起されず、安定な共有回折格子が誘起さ変化している事がわかる。これは制御光パターンの変れなかったためであると考えられる。さらに、本実験

更により導波路の消去と再構成が実行され、その結果、

において得られた最大回折効率は 14.7%であった。こ信号の切り換え接続が実現したことを示している。これは、結晶前後両端面において２回の反射がある事をの実験では、１つの信号光を３か所に振り分ける(1×3)

考慮すると、本光材料の実質的な回折効率は 20%以上切り換え機構を２層化した(1×3)×2 切り換えに成功しを超えることを示唆している。

ている。
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６．おわりにに従った導波路に再構成が出来る。

RSOW は光強度の空間分布によって局所的に屈折応用分野としては、当初は WDM システムを中心と率分布が変化するフォトリフラクティブ効果とした光通信システムにおける光コネクトが中心になる

MPPCM をベースとした技術であり、信号光と制御光と思われるが、本技術は、位相共役波の位相補償作用の相互作用で導波路を自己組織化し、制御光の入射条を用いることで自由空間型のデバイスにも適用できる件のみで導波路の形成・維持・消去を管理することがため、光ファイバを用いない移動体間光通信(地上およできる。本手法のように、位相共役波の性質を利用しび宇宙)や医療・計測分野でのイメージ伝送光学系へのた光接続では、位置ずれに対して従来手法より高いト展開が見込まれる。また、情報通信以外の分野においレランスを示すため、形状が複雑なフォトニック結晶ては、例えば、フォトニック結晶ファイバによる光パ

ファイバ同士の接続や形状の異なるファイバ同士の接ワー伝送系や光源であるファイバレーザの光学系にも続にも適している(18)。RSOW はこれらの利点に加え利用できる。接続のための大型で精密な装置やフェムて接続導波路を任意の位置に作り変えられる事から、

ト秒レーザなどの高価な光源が不要であるため、最終接続自体の ON/OFF や伝送経路の動的選択が可能で的には、現在個人が電気配線を行う感覚で、自由かつあり、一度導波路が完成した後に不慮に生じる光波入

容易に光配線を行う技術に進化する可能性がある。

射条件の変化に対しても自律的に対応して新たな条件

図６

RSOW を用いた接続切り換えを確認する実験系 信号光光源に He-Ne Laser を２台用意し、y 軸方向(紙面に垂直方向)に並べて SPS 結晶に入射する。

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リコンフィギュラブルな自己組織化導波路による光配線技術
Optical Wiring Technology with Reconfigurable Self-Organization WaveguideControl Beam Patterns
(1A)

(1A)

(1A)

(2A)

(2B)

(2C)

(1B)

(1B)

(1B)

(2A)

(2B)

(2C)

(1C)

(1C)

(1C)

(2A)

(2B)

(2C)

（a）制御光に与える空間強度分布のパターン

Output Beam Patterns
(1a)

(1a)

(1a)

(2a)

(2b)

(2c)

(1b)

(1b)

(1b)

(2a)

(2b)

(2c)

(1c)

(1c)

(1c)

(2a)

(2b)

(2c)

（b）制御光のパターンに応じた出射光の空間パターン．

図７

制御光と出射光の空間強度パターンが得られた事がわかる。

10

制御光のパターンに対応した出射光パターン

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Optical Wiring Technology with Reconfigurable Self-Organization Waveguide

用語解説(4) K. W. Cheng, M. A. Uddin, and H. P. Chan,*1 Wavelength Division Multiplexing（WDM, 波長分割多“Relaxation in alignment tolerance by double-side重）： 光ファイバーを使った通信技術の一つ。波長のirradiation induced,” Proc. of OECC 2009,ThA4,

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信の網構成方式のこと。

Interconnects-Performance Modeling and Simulation,”*3 位相共役波： ある元になる光波に対して、空間的IEEE Journal of Selected Topics in Quantum

な位相を反転した光波のこと。具体的には、適当な媒Electronics 9, 492-511, (2003).

質に光を入射させたときに媒質中で発生し、その入射(6) C. R. Giles, V. Aksyuk, B. Barber, R. Ruel, L. Stulz,

光路を逆向きに戻ってくる光であって、しかも元の光and D. Bishop, “A Silicon MEMS Optical Switch

波と波面の形状が全く等しい光波のこと。時間反転波

Attenuator and Its Use in Lightwave Subsystems,”とも呼ばれる。

IEEE Journal of Selected Topics in Quantum*4 光相互接続： 光を媒体とした電子機器間や電子部

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品間の接続のこと。長距離光通信ではなく、より短距(7) T. Aalto, M. Kapulainen, S. Yliniemi, P. Heimala, and離の接続技術について用いられることが多い。光インM. Leppihalme, “Fast thermo-optical switch based on

ターコネクションとも呼ばれる。

SOI waveguides,” Proc. of SPIE 4987, 149-159,*5 空間光変調器（Spatial Light Modulator: SLM）：“光(2003).

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(9) L. B. Soldano, and E. C. M. Pennings, “Optical

させるデバイスのこと。
*6 インコヒーレント：波動が互いに干渉できない性質

Multi-Mode Interference Devices Based on Self-

をもつこと。２つ（または複数）の波の振幅と位相がImaging : Principles and Applications,” Journal of

でたらめに変動し、干渉縞などが生じないことを意味

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この研究は、平成１９年度ＳＣＡＴ研究助成の対象としてProc. of SPIE 6582, 65821U, (2007).

採用され、平成２０年度～２２年度に実施されたものです。

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TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER