研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

種村 拓夫

東京大学 大学院工学系研究科准教授

半導体集積フォトニクスに基づく光波合成・制御素子の研究
光のユニタリ性に根差した新しい光集積回路を開拓する
研究の背景

タリ性、並進性、高速性に着目し、これらのルータへの応用に向けて、光パケットスイッ特性を最大限活用した半導体PICの新しチングや光バッファ機能も実証している【2, 4,多数の光素子をワンチップに集積した半い可能性を模索してきた。その一環として、5】。
一例として、1×16フェーズドアレイ型光導体光集積回路（PIC）
は、光通信デバイ種々の光波合成・制御素子の研究開発をスイッチを用いた全光バッファ実験の結果をスの大容量化と小型化を実現する技術と進めている。

図1（b）に示す。

して、1980年代から著しい発展を遂げてきた。現在では、レーザ、光変調器、受光器などの能動光素子を100以上集積した大容量光送受信回路が実現している。

このような大規模かつ高速な光スイッチ
1. 光集積フェーズドアレイ素子

は、現在の光通信／データセンターネット

アレイ状に並べた多数のアンテナの位相ワークにおける消費電力を抜本的に削減を制御することで電磁波の入出射角度を選する技術として期待を集めている。
さらに本

その一方で、エレクトロニクスのようなス択する「フェーズドアレイ技術」
は、レーダー技術を拡張することで、高速イメージング素ケール則を持たないフォトニクスでは、素子や無線通信など、ラジオ波･マイクロ波帯に子やユニバーサル光ユニタリ変換回路がの小型化を単純に繰り返しても性能向上おいて広く普及している。我々は、このような実現できることを実証し【6】、LIDAR（3次元に直結せず、従来技術の延長で集積化をフェーズドアレイを「光」の波長帯に適用し、レーザセンサ）や光演算回路への展開を進める意義は薄れ始めている。同時に、次半導体PIC上に実現する技術に早くから着図っている。

世代の光通信技術として、光の空間モー目し、その高性能化に挑戦してきた【1】。
そのドや偏波状態などの新しい自由度を利用

結果、100ポート光スイッチ【2】や8×8マトリした方式に注目が集まっており、PICに求クス光スイッチ【3】をはじめとする大規模光

従来のInP系半導体PICでは、単一のめられる機能が多様化している。
さらには、フェーズドアレイ素子の試作実証に世界に偏波状態の光を想定し、偏波多重などの光センシングや光量子演算など、新規応先駆けて成功した。数ミリ角のインジウムリ処理は、チップ外に取り出した後に空間光用分野においても大規模な光処理をチッン（InP）系半導体チップ上に、光位相制御学部品を用いて行っている。一方、次世代プ内で行うPICへの期待が高まっている。

研究の成果
このような状況の中、光ならではのユニ

2. 偏波制御／検出素子器135個、光増幅器100個、および、無数

光通信システムでは、「 偏波」という自由度の光導波路を集積した100ポート光スイッチの写真を図1（a）に示す。半導体中のキャリをより積極的に利用した方式が検討されてア効果を利用することで、ナノ秒オーダーのり、検出する技術が求められている。

高速スイッチングを達成した。
さらには、全光おり、チップ内で光の偏波状態を自在に操
そこで我々は、InP系能動光素子との集積に優れるハーフリッジ型偏波変換器を発

図1（a）
光フェーズドアレイを用いた100ポート光スイッチ135個の光位相シフタを制御することで、100本の出力ポートに高速にスイッチングできる【2】（b）
光フェーズドアレイ型スイッチを用いた光バッファ実験結果【5】

（a）

（b）

案し【7】、変調器や受光器を組み合わせた偏波制御素子の開発を進めている。例えば、位相変調器を組み合わせることで、動的に偏波状態を制御する「偏波変調器」が実現できることを実証した【8】。
さらには、量子井戸型受光器を集積することで、チップ内の偏波状態を読み取る「偏波受信器」も実現できる【9】。
これらの素子の応用例として、4値ストークスベクトル変調信号を受信した結果【10】を図2に示す。ポアンカレ球上の4点に対応する偏波状態を高速に検出できることを示している。丸文研究奨励賞 受賞者

これらの成果は、光の強度と位相にのみ情報をのせる現在の光通信のパラダイムを変え、3次元ス

図2（a）InP集積偏波受信器の構成
ハーフリッジ型偏波変換器と受光器を同一チップ上に集積することで、入力光の偏波状態を検出することができる（b）4値ストークスベクトル変調信号（3 Gbaud）の受信実験結果
ポアンカレ球上の4値信号を高速に検出できることを実証した【10】トークス空間を活用した電力効率の高い通信方式の可能性を示唆する。
さらには、偏波状態を利用したイメージングやセンシングなど、広範な産業分野への波及効果が期待される。
3. 微小プラズモニック光波合成素子
従来の半導体PICは、屈折率差による光の閉じ込めを利用するため、光の回折によって集積密度（a）（b）が制約を受ける。
そこで我々は、光波合成PICの集積度を極限まで高める試みとして、金属の微小ナノ構造を用いたプラズモニック光波合成回急速に高まっている。また、大路を提案し、シリコンチップ上で実証するこ規模な光ユニタリ変換回路をとに成功した。金属による共振器構造（光用いることで、量子シミュレーアンテナ）をチップ上に巧妙に配置するこションや高速な機械学習が可とで、入射光を効率良く表面プラズモン波能になることが提唱されておに変換し、波長毎に所望の光波面を合成り、次世代コンピューティングすることができる。
これを利用することで、コ技術として関心を集めている。

ンパクトな波長分離器や空間モード多重分

このように、1 9 8 0 年 代 以離器が実現できる【11-13】。一例として、数μ来、光送受信器の大容量化m2の波長分離器の実験結果を図3に示すに特化してきたPIC技術は、【11】。
これらの成果は、プラズモニック技術

今日、大きな転換期を迎えてを用いた光波合成PICの新しい可能性をいる。光集積フォトニクスの新示したものであり、学術的な意義が大きい。

時代を切り拓き、その礎を築く

図3 微小金属共振器構造を用いた
プラズモニック光波合成回路
入射光が波長毎に分離されて受光できることを実証した【11】ことを目指し、今後も研究を推今後の展望進していきたい。
本研究は、東京大学大学院工学系研究教授のご支援とご協力を仰ぎながら、多くの本研究では、種々の光波合成・制御素科の中野義昭教授、および、スタンフォード共同研究者と学生と共に実施したものであ子を新しく提案し、半導体PIC上で実証し大学Ginzton LaboratoryのDavid Millerる。
この場を借りて深く感謝申し上げたい。てきた。これらのテーマは、光が本質的に持つユニタリ性、並進性、高速性を半導体PIC上で最大限活用しようと模索する中でReferences（参考文献 ）自然と生まれたものであり、いわゆるシーズ【1】T. Tanemura, et al., IEEE Photon. Technol. Lett., 20, 1063（2008）.

型の研究であったと言える。
しかしここに来て、研究開始当初には予想だにしなかった多様な分野において、このような技術への期待が高まっている。
例えば、3次元の画像情報を高速に取得するLIDARは、将来の完全自動運転の実現に向けて鍵となる技術であるが、現在の機械式LIDARの小型化、低コスト化、高速化、高信頼化を一挙に達成する技術として、光集積フェーズドアレイへの期待が【2】I. M. Soganci, et al., Laser & Photon. Rev., 6, 549（2012）.
【3】M. J. Kwack, et al., Opt. Express, 20, 28734（2012）.
【4】T. Tanemura, et al., Opt. Express, 17, 9454（2009）.
【5】T. Tanemura, et al., J. Lightw. Technol., 29, 396（2011）.
【6】R. Tang, et al., IEEE Photon. Technol. Lett., 29, 971（2017）.
【7】M. Zaitsu, et al., Opt. Express, 21, 6910（2013）.
【8】M. Kazi, et al., IEEE Photon. Technol. Lett., 29, 1951（2017）.
【9】T. Suganuma, et al., J. Lightw. Technol., in press.
【10】S. Ghosh, et al., J. Lightw. Technol., in press.
【11】T. Tanemura, et al., Nano Lett., 11, 2693（2011）.
【12】T. Tanemura, et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 19, 4601110（2013）.
【13】P. Wahl, et al., Opt. Express, 22, 646（2014）.