光カー効果によるオンチップ型光スイッチの開発
Development of all-optical switch on chip using optical Kerr effect

パワーである、36 μW を実現できることを示した。さらに、同じ素子を用いて、光論理回路との基本構成素子として知られる光双安定素子も実現できることを理論的に示した。光信号処理が実現すれば、一度電気に変換してから処理していた信号処理を、全光で行えるようになり、光伝送・光信号処理システムの低エネル
ギー化につながることが期待される。

田邉 孝純 (Takasumi TANABE, Ph. D.)
慶應義塾大学 理工学部電子工学科 准教授

１．はじめに(Associate Professor, Department of Electronics and ElectricalEngineering, Faculty of Science and Technology, Keio
University)

今日のインターネットの高速化は光伝送技術の発展によってもたらされた。しかし、伝送は電気から光に応用物理学会 レーザー学会 電子情報通信学会 OSA
IEEE/Photonics Society
受賞：The 6th Annual Scientific American 50 Award, Takasumi Tanabe,"Light Manipulation"(2007)
文部科学大臣表彰 若手科学者賞(2011)
レーザー学会 第 37 回レーザー学会業績賞 奨励賞(2013)
著書：W. Yoshiki and T. Tanabe, "Performance of Kerr bistable memory
in silicon nitride microring and silica microtoroid," Jpn. J. Appl. Phys.
Vol. 53, No. 12, 12202 (pp. 7) (2014)
W. Yoshiki and T. Tanabe,"All-optical switching using Kerr effect in a silica toroid microcavity,"
Opt. Express, Vol. 22, No. 20, pp. 24332-24341 (2014) A. Fushimi and
T. Tanabe, "All-optical logic gate operating with single wavelength," Opt.
Express, Vol. 22, No. 4, pp. 4466-4479 (2014)
W. Yoshiki and T.
Tanabe, "Analysis of bistable memory in silica toroid microcavity," J. Opt.
Soc. Amer. B, Vol. 29, No. 12, pp. 3335-3343 (2012)
研究専門分野：光エレクトロニクス

置き換わったものの、信号処理は未だに電気的に行われている。例えば、ネットワークノードにおいては、受信した光信号を一度電気に変換してから電気的に処理を行い、その後に再び光信号に変換してから送信している。光電気光変換は非効率であり、電気的に信号処理をするのではジュール熱の発生が避けられず、ネットワークノードの省エネルギー化は直ぐに限界を迎える。特にインターネットは世界中のあらゆる場所に張り巡らされているため、莫大なエネルギー消費となる。そこで、筆者らをはじめ多くの研究者は、光のまま信号処理をすることを目標に、研究に取り組んでいる[1][2]。その実現にはいくつかの手法があるが、光ス
イッチ素子単体の性能という観点においては、もっとも低エネルギーで動作するものは微小光共振器を用いたもので実現されている[2]。
これまでに報告された微小光共振器を用いた光スイ

本研究では、全光信号処理回路の究極的なッチはキャリアを利用して動作するものが多い

低電力化と高速化を実現するための基礎検討として、[2][3][4]。制御光を素子に入力したときに、キャリア

シリカ材料による微小光共振器を用いて光カー効果をが生成し、それが共振器を構成している材料の屈折率利用した光スイッチ及び光双安定素子の実現を目指しを変調し、その屈折率変調の結果共振器の共鳴波長がた。シリカはバンドギャップが広いので、従来の半導シフトする。信号光を共振器の共鳴波長に一致させて体材料では利用が難しかった光カー効果を利用できる。

おくと、共振波長の波長がシフトすれば信号光の透過

光カー効果は光子の吸収を伴わないので、低挿入損失率が変化するので、全光スイッチングが実現できる。

素子の実現が期待される。また、シリカは良好な光学

しかし、これらのスイッチの応答時間はキャリアの有材料であることも、低挿入損失素子の実現に貢献する。

限な拡散時間によって制限され、自由キャリア吸収

筆者らは、光スイッチにおいて理想とされる、光カー（Free carrier absorption：FCA）に起因する損失も効果を用いたときに、どこまで低エネルギー化できる存在する。このような背景から、筆者らは、キャリア

かという課題に取り組み、シリカ微小光共振器を用い生成の伴わない、光カー効果を用いて屈折率変調を誘て、オンチップで動作する光変調器としては世界最小

起して全光スイッチを実現することに着目した。

あらまし

1

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Development of all-optical switch on chip using optical Kerr effect

既に、フォトニック結晶共振器[5]やマイクロリング

２．シリカ微小光共振器の作製

共振器[6]を用いて、光カー効果を用いたスイッチが報

本研究のポイントとなるのは、高 Q 値シリカトロイ

告されるようになっている。しかし、これらの共振器

ド共振器の作製である。本素子は図 1 に示すように(1)は光の閉じ込め性能を表す Q 値が低く（<105）、その熱酸化膜の形成、(2)フォトリソグラフィと SiO2 エッために効率的に光スイッチを行うことができない。そチング、(3) XeF2 によるシリコン犠牲層エッチング、の結果光スイッチ動作を得るために、100mW 以上の(4)レーザリフロプロセスを経て作製される。

入力光パワーが必要となる。この問題を解決するため初めに、シリコンウェハを熱酸化し、2μm の SiO2に超高 Q 値を持つバルク型のウィスパリングギャラ

膜を形成する。次にフォトリソグラフィ及び SiO2 をエリーモード（Whispering gallery mode：WGM）共振

ッチングすることで、SiO2 のディスク状の構造をシリ器を用いた光カースイッチも実現されているが[7][8]、コンウェハ上に作製する。SiO2 のエッチングにはフッ

これらはチップ上への集積が困難であるという欠点が化水素を用いても、ドライエッチングを用いてもよい。

ある。

ディスクの直径は約 100μm である。このウェハをそこで本研究では、シリコンウェハ上に集積可能な

XeF2 ドライエッチング装置に入れると、SiO2 ディス

シリカトロイド共振器を用いて、光カースイッチを実

ク下のシリコンが選択的に削り取られる。これを犠牲現することを目標とした。高 Q 値共振器を用いれば、層エッチングと呼ぶ。適切な時間でエッチングを終了

光の閉じ込め時間を長くすることができるので、効率すれば、シリコンポストに SiO2 のディスクが乗ったテ的に光カー効果を生じさせることができ、必要となるーブルのような構造が得られる。最後に、このディス

入力エネルギーを低減させることができる。その一方

ク状構造の上面から炭酸ガスレーザを一様に照射する。

で高 Q 値共振器を用いると、動作速度は遅くなるが、

炭酸ガスレーザはガラスを溶かすが、中央部分はシリ

本研究では、光カースイッチとしての低パワー化の限コンポストがヒートシンクの役割を果たすので、温度界を追及することに特に目標を定めた。こうした低パが上昇しない。その結果、構造の縁のみが溶融する。

ワー素子が実現できれば、古典的な光スイッチとしてレーザ照射を止めると再凝固し、表面張力の影響でだけでなく、究極的には光量子情報処理素子への応用

SiO2 ディスクがドーナッツ状に丸まり表面の凹凸がが拓ける。

取れる。このキノコ状の構造をトロイド構造とよび、(1) シリコンウェハを熱酸化し、SiO2 膜を形成する。
(2) フォトリソグラフィと SiO2 エッチングでシリカディスクを作製する。
(3) XeF2 を用いてシリコン犠牲層エッチングを実施する。
(4) 炭酸ガスレーザを照射して表面を溶融し凹凸を取る。
これをレーザリフロプロセスと呼ぶ。

図１

シリカトロイド微小光共振器の作製手順

2

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この共振器をトロイド微小光共振器と呼ぶ。このようので、素子の挿入損失を最小に抑えることができる。

にして作製した共振器と円環部分の直径はそれぞれ

このようにして作製した微小光共振器の透過スペク

70μm 及び 4.5μm であった。光は円環を全反射しながトルを測定した結果を図 2(a)に示す。鋭い共振スペクら周回することで閉じ込めることができる。表面散乱

トルが観測される。共振器の閉じ込め性能を得るためや材料吸収が極めて小さいため、非常に長い時間光をに共振器の光子寿命を測定した結果が図 2(b)であり、閉じ込めることができ、効率的な光カー効果を発現でこの結果より 8.2×107 の高い Q 値が得られていること

きる。

が確認された。

この共振器には、細くテーパさせた光ファイバを共振器の側壁付近に固定することで光を結合できる。こ３．光カー効果を用いた光スイッチのテーパ光ファイバは市販のシングルモード光ファイ

光 ス イ ッ チ 実 験 に は 、 信 号 （ Signal ） 光 と 制 御バを熱しながら延伸することにより作製できる。作製（Control）光と呼ばれる 2 つの光を用いる。いずれしたテーパ光ファイバの直径は 1m 程度であり、適の光も WGM と共振する必要があるため、図 2(a)に示

切に制作すれば、90％を超える高い透過率を示す。例

すように本共振器には多数の共振器モードがあること

えば、シリコンマイクロリング共振器による光スイッを利用して、1550nm 付近の異なる WGM の共振波長

チ素子は、素子自体の性能は極めて高いものの[4]、光に合わせる。制御光は電気光学変調器（Electro-optical

ファイバとシリコン光導波路のモード直径に大きな差

modulator：EOM）により矩形信号に変調する。そのがあるために、光ファイバから素子へ入出力する際に後、制御光と信号光は波長多重カップラによって合波

約 1/20 の光しか透過せず、挿入損失の大きな素子となされ、同時に共振器へと入射する。出力では信号光のってしまう。その一方で、本素子は光ファイバから高みを波長多重フィルタで取り出し、時間波形を測定す

い透過率を有するナノ光ファイバを用いて結合できるる。実験中のシリカトロイド微小光共振器を上面より(a)

Detected power (W)(b)Transmittance (dB)

0
-2
-4
-6
-8
-10
1500

1520

1540

1560

1580

1600

1620

Wavelength (nm)

12
10
8

Qload = 8.2 x 10

7

6
4

2

0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Time (ns)共鳴波長に合わせた光を入射した後に、入力を突然切る。
共振器からの光を時間分解測定することで、共振器の光の閉じ込め時間が求まる。

写真は作製した微小光共振器の電子顕微鏡写真

図２(a)シリカトロイド微小光共振器の透過スペクトル3(b)リングダウン測定

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光学顕微鏡で観測したのが図 3(a)である。

利用し、TO 効果が応答できないほど速い制御パルス

図 3(b)に動作原理を示す。Mode S が信号光、Modeを入力することで、光カー効果のみを選択的に誘起しC が制御光に用いる共振器モードである。信号光が共た。光カー効果の応答速度は、約数 ns（共振器の光子振器に共鳴すると、信号光が共振器へ結合し閉じ込め

寿命によって制限される）と極めて速いのに対し、TO

られて効率的な光カー効果が生じて屈折率が変調され効果のそれは遅く、シリカトロイド共振器の中では μs

る。その結果、Mode C の共鳴波長が長波長側にシフを超える。Q 値 106 程度の共振器を用いて、64ns のパ

トする。Mode C に結合する波長の信号光を入力する

ルス幅を持つ制御光を入力したときの透過光の時間変と、制御光が OFF の場合には透過率が低いが、制御化を測定した結果が図 4 である。

制御光OFF(a)Mode C

Mode S

(b)

出力

入力
信号光

シフト
制御光

制御光ON

χ(3)
信号光

図３(a)実験中の共振器の光学顕微鏡写真

制御光

波長

(b)全光スイッチの動作原理

光が ON となると共振波長が外れるために、光が共振器に結合せずにそのまま出力側の光ファイバに伝搬す

Signal output (a. u.)

る。その結果、全光スイッチが実現できる。
シリカトロイド共振器中においては、キャリアの生成は抑制されるために、純粋に光カー効果を用いることができる。さらに、シリカの吸収係数は極めて小さいため（Q =

2×1011 に対応）
、熱の発生も極めて小さい。これらの特徴を有するので、カー効果と競合する
キャリアプラズマ効果や熱光学効果（Thermo-optic：TO）効果の発生を抑えるので、カー効果を利用しやす

1.0
0.8
0.6
Fall time: 6 ns

0.4
0.2
0.0

くなる。

Pincont = 5.3 mW

Tcont = 64 ns

1.2

0

100

200

300

400

500

Time (ns)しかしながら、実際にはシリカトロイド共振器の吸収係数は無視できず、一定の TO 効果が発生するので、信号光を時間分解測定している。
グレーの時間領域で制御光を入力している。

光カー効果をスイッチに用いるためには、実験的に光カー効果と TO 効果を分離する必要がある。そこで、

図４

カー効果と TO 効果の応答時間が大きく異なる性質を
4光スイッチ実験結果

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制御光が入射されている間のみ信号光の透過率が高起されるために、制御光で共振波長をシフトさせて、くなり、出力が得られている様子が観測される。すな

一度信号光が共振器結合されれば、その後は信号光がわち、この実験結果が全光スイッチの直接的なデモン

透過（反射）し続けることができ、メモリ動作が実現

ストレーションに他ならない。制御光を切ってから信される。

号光が回復するまでに要するのは 6ns であり、これは計算結果を図 5 に示す。図 5(a)は光スイッチ実験で使用した共振器の光子寿命と一致するため、光カー効も用いたサイドカップルと呼ばれる系であるのに対し果によるスイッチが実現できていることがわかる。注て、図 5(b)は add-drop と呼ばれる出力ポートを追加

目すべきは、スイッチに要する制御光の入力光強度でした系となっている。計算の結果、add-drop 系のみ所

あり、わずか 5.3mW である。筆者らはさらに共振器

望の動作が得られることがわかった。

を最適化し、より高 Q 値（> 2×107）な共振器を用い信号光はあらかじめ共振器の共鳴波長より長波長側ることによりすることで、最小 36μW での光変調を実にシフトさせておく。Set の時間領域で制御光を入力現した。この値はチップ集積された光カースイッチとさせて、共振器の共振波長を長波長にシフトさせる。

しては全ての中で世界最小である[9]。

すると、信号光は共振器に共鳴するようになるので、信号光で光カー効果が発生し、制御光を切った後でも状態が維持できる。図 5(b)ではいわゆるメモリ動作が４．光カー効果を用いた光論理回路素子
共振器と光学非線形効果を組み合わせると、光双安実現されている。状態を OFF に戻すには（active low

定素子が実現できることが知られている。光双安定素なので、OFF の状態が高透過率状態であることに注子を用いると光トランジスタが実現でき、光論理回路

意）、入力を瞬間的に切ればよい（Reset 領域）。

の基本構成素子となりうることが知られている[1]。そ計算結果より、add-drop のみ所望の動作が得られる

こで、筆者らはさらに光双安定素子の動作について理ことがわかった。これは現実的な系ではわずかながら論的に検討を進めた。使用したのは結合モード理論と熱が発生してしまうことと関係がある。計算機上の仮呼ばれる支配方程式であり、これを用いると共振器中想 実験によ って、 筆者らは 現実的な 系であ ってもの光の時間変化を記述できる。

add-drop の構成を採用することで、光双安定動作が実計算機上の実験は光スイッチと同様に行う。しかし、現できることを明らかにした[10][ 11]。この結果は、

信号光自身で光カー効果が誘起されるまで、信号光強将来の微小光共振器を用いた光論理回路の構築に向け度を強める点が異なる。信号光自身で光カー効果が誘て重要な知見となる。

Pout (mW)(b)

Set Reset

4

OUT

IN

3

Set Reset

15

Pout1 (mW)

(a)

OUT

IN

10

2

1

0

0

100

200

300

400

5

(active low)
0

500

0

100

200

300

400

Time (ns)Time (ns)(a)サイドカップル共振器の場合(b) add-drop 結合の場合

図５

500

光双安定の計算結果

5

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光カー効果によるオンチップ型光スイッチの開発
Development of all-optical switch on chip using optical Kerr effect[6] J. S. Pelc, K. Rivoire, S. Vo, C. Santori, D. A.

５．まとめ

Fattal, and R. G. Beausoleil, “Picosecond

筆者らは、シリカ微小光共振器を用いて、光カー効果を用いた全光スイッチの開発を行った。特に、光カ

all-opticalswitchinginhydrogenatedースイッチとしてどこまで動作パワーを低減できるか

amorphous silicon microring resonators,” Opt.

の、課題に取り組み最小 36μW まで低下できることをExpress 22, 3797-3810 (2014).

示した。これは現在までに報告されている全ての光カ[7] M. Pöllinger and A. Rauschenbeutel, “All-opticalースイッチの中で最小の値であり、高い Q 値の共振器

signal processing at ultra-low powers in bottleが作製されたので実現できた。

microresonators using the Kerr effect,” Opt.
Express 18, 17764-17775 (2010).

また、光論理回路の構成素子となる、光双安定素子についても検討を行い、add-drop と呼ばれる系を構築[8] I. Razdolskiy, S. Berneschi, G. N. Conti, S. Pelli,

することで、同一素子で光双安定動作が実現できるこ

T. V.Murzina, G. C. Righini, and S. Soria,とを理論的に示した。これらの研究成果は、将来の光“Hybrid

信号処理の低エネルギー化に向けた第一歩である。

switching devices,” Opt. Express 19, 9523-9528

microspheres

fornonlinear

Kerr(2011).

本研究において実験を実施し、本報告書をまとめる[9] W. Yoshiki and T. Tanabe, "All-optical switching

に当たり尽力頂いた、慶應義塾大学リーディング大学
院 RA 吉岐航氏に感謝申し上げる。

using Kerr effect in a silica toroid microcavity,"
Opt. Express 22, 24332-24341 (2014).
[10] W. Yoshiki and T. Tanabe, "Analysis of bistable

参考文献

memory in silica toroid microcavity," J. Opt. Soc.

[1] A. Fushimi and T. Tanabe, "All-optical logic gate

Amer. B 29, 3335-3343 (2012).

operating with single wavelength," Opt. Express[11] W. Yoshiki and T. Tanabe, "Performance of Kerr

22, 4466-4479 (2014).

bistable memory in silicon nitride microring and[2] K. Nozaki, T. Tanabe, A. Shinya, S. Matsuo, T.
Sato,

H.

Taniyama,

andM.

silica microtoroid," Jpn. J. Appl. Phys. 53, 12202

Notomi,(pp. 7) (2014).

"Sub-femtojoule all-optical switching using aphotonic crystal nanocavity," Nature Photon. 4,
477-483 (2010).
[3] T. Tanabe, M. Notomi, A. Shinya, S. Mitsugi, andE. Kuramochi, "All-optical switches on a siliconchiprealizedusing

photonic

crystalnanocavities," Appl. Phys. Lett. 87, 151112(2005).
[4] V. R. Almeida, C. A. Barrios, R. R. Panepucci,and M. Lipson, “All-optical control of light on asilicon chip,” Nature 431, 1081-1084 (2004).
[5] V. Eckhouse, I. Cestier, G. Eisenstein, S.
Combri`e, G. Lehoucq,

and

A. D.

Rossi,“Kerr-induced all-optical switching in a GaInP

この研究は、平成２２年度ＳＣＡＴ研究助成の対象とphotonic crystal Fabry-Perot resonator,” Opt.

して採用され、平成２３～２５年度に実施されたもの

Express 20, 8524-8534 (2012).

です。
6

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