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超低消費電力
シリコン光導波路スイッチ
東北大学大学院工学研究科
教授
羽根 一博
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研究の背景
光路の切り替え
１入力
２出力
1×2
2×2
２入力
２出力
2
2
研究の背景
特定波長の光の取り出し
入力光
透過光
λ1, λ2, λ3, λ4
λ1, λ2, λ4
波長の
フィルタ
λ1,
λ2
λ1, λ2
リング
導波路
λ1,
狭い間隙
大きい間隙
λ結合なし
1 信号取り出し
λ3
特定波長の
光の取り出し
3
従来技術とその問題点
従来技術は、ヒーターを用いたシリコン
の熱光学効果によるスイッチである。
この場合消費電力は数10mWで、応答
時間は100μsec程度である。
本技術は消費電力1nW程度で応答時
間10μsec程度である。
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従来技術：マハツェンダー(MZI)型光スイッチ
Ｓｉ導波路ＭＺＩスイッチ
・熱で屈折率変調
・応答速度：約100µs
・消光比：15dB
・消費電力：90mW
導波路マトリクス光スイッチ
ヒーター
２ｘ２スイッチ
入力
出力
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新技術の特徴・従来技術との比較
シリコン導波路を静電マイクロアクチュエー
タにより移動する方式の光通信用超小型
カプラースイッチおよびマイクロリング波長
選択スイッチを実現した。1nW以下の超低
消費電力で駆動できる。
消費電力がきわめて小さいので、大規模
のマトリクススイッチを構成しても発熱の
問題がない。
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可変間隙シリコン導波路カプラースイッチ
* Symmetric coupler
arrangement
* Uniform air clad in
coupler region
* Single actuator
<100μm square
10μm
2.05µm
R6µm
* Response time
~10μsec
* Energy consumption
<1pJ per switching
WG width: 400nm
height: 260nm
Coupling length:10μm
Gap:20-1000nm
Voltage:~30V
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想定される用途
・本技術は光通信波長における光路切り替
え用のスイッチが主な用途である。
・シリコン集積回路と一緒に構成できる。
・赤外線(>1μm）で利用できるので赤外線
レーザの分岐などの用途に利用できる。
・赤外線センサの切り替えなどのセンサ用
途にも利用できる。
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光ファイバー通信 光配線スイッチ
ONU
OXC
Data
λ1 λ2 λ3
R. Kirchain, L. Kimerling,
Nature Photonics 1, 303
(2007).
OXC
Fiber
OXC
光クロスコネクト
OXC
Lucent OXC
OXC
波長選択
スイッチ
Lucent WSS
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可変間隙カプラーのシミュレーション
Gap: 100 nm
Gap:100nm
Input
TE mode
400nm wide
260nm thick
Gap (nm)
スイッチ オフ
Gap : 100nm
5μm
スイッチ オン
Drop
入力
Through port
Normalized intensity
Coupling coefficient (μm-1)
Simulation by FDTD
Waveguide width : 400nm
thickness: 260nm
Wavelength: 1.55μm
Si refractive index: 3.467
Mode: TE
Gap : 350nm
Drop port
Gap (nm)
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製作プロセス
Si細線とマイクロアクチュエータの一括製作
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製作したシリコン導波路カプラースイッチ
Oblique view of coupler
2.05µm
Cross section of
waveguide before
SiO2 etching
10μm
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製作したカプラースイッチの動作
Optical microscope image
Actuator voltage < 30V
10μm
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赤外線カメラで測定した光出力
Drop
Through
Input
Arrangement of switch
Applied voltage is changed from
0V to 30.5V repeatedly at 1.55 μm.
Laser power: 80 μW
IR camera image
Clear spot images were obtained
at through and drop ports
Port isolation: 15dB
Nearly 100% intensity at
(at 28.9V)
through port is transferred
to drop port under
Wavelength: 1550 nm
switch-on condition
Laser power: 80 µW
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アクチュエータのステップ応答と消費電力
Motion equation
1
4
2
1
4
2 ⁄
2
Damp. ratio:
Danp. coeff.: c
Mass:
2.3
Spring const.:
Displacement:
7nW/14.3kHz
10
10
0.315 ⁄ 1
Normalized intensity
1.2
1.1
1
2
0.8
5
10
20
0.6
40
0.4
60
0.2
0
0
10
20
30
Time(μs)
40
50
 The total power consumption of an
actuators is 7nW for 14.3kHz switching.
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製作多段スイッチ（２ｘ６）
Electrode
Input
Outputs
100µm
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赤外線カメラで測定した多段スイッチの出力
それぞれのポートに
おけるスイッチオン
状態の出力スポット像
F
F port ON
F
F
E port ON
E
E
E
B
B
B
A
A
A
C
C
C
D
D
D
B port ON
それぞれのポート
におけるスポット像
の比較
Port isolation: 6.2dB~27.3dB
Cross talk: 6.9dB~28.1dB
Insertion loss: <1dB
(single switch)
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ラッチ機能つきスイッチ
To hold the switch condition without applying voltage,
nano-latch mechanism is used in the coupler switch
ラッチ オフ状態
フック
Fabricated switch
Fabricated switch with latch mechanism
カプラー部
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ラッチ機能付スイッチの動作特性
Latched hook
Coupled waveguides
207nm
109nm
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ヒットレス機構のあるマイクロリング波長選択スイッチ
λ1, λ2, λ3, λ4
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選択波長可変のマイクロリングフィルタ
マイクロリン
グ部
Path length of
micro-ring is
varied by a
tuning actuator
Microring
resonator
バスライン結合
部
Coupling is
switched by a
switching actuator
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製作した可変マイクロリングフィルタ
(a)
Busline movable waveguide
Tuning
actuator
20μm
Optical isolation
structure
Coupler
Coupler
Microring
resonator
Air-gap coupler region
250nm gap
Busline
Fixed waveguide
Switching
actuator
Movable
waveguide
10μm
22
(b)
22
選択波長可変の実験結果
4
40nm, 5V
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
4
A
(a)
330nm, 15V
2
0
-2
Intensity (dB)
-4
-6
-8
-10
4
A
(b)
B
590nm, 20V
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
4
A
(c)
B
In the wavelength region of 1460nm-1480n
* Free spectral range: 3.3nm
* Maximum extension ratio：-10.8dB
* Full width Half maximum:0.33nm
* 10nm shift at 25V (1μm displacement)
* Q-value: 4.5×103
875nm, 24V
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
B
(d)
1470
1472
1474
1476
Wavelength (nm)
1478
1480
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バスラインスイッチ動作測定結果
Increasing the gap of bus-line,
*Resonant transmission peaks
disappear
*At gap of 600nm(14V), optical
coupling is negligible
*Critical coupling is obtained at the
gap of 383nm
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実用化に向けた課題
• 現在、スイッチ接続について２ｘ６が可能なとこ
ろまで開発済み。しかし、さらに大規模化の点
が未解決である。
• 今後、波長多重に適用していく場合の条件設
定を行っていく。また、外部光ファイバーとの
接続ついて実験データを取得する。
• 実用化に向けて、加工の精度とパッケージな
どの技術を確立する必要もある。
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企業への期待
• 未解決の外部光ファイバーとの接続について
は、ＭＥＭＳの技術により克服できると考えて
いる。
• 光回路の技術を持つ、企業との共同研究を希
望。
• また、光通信用部品を開発中の企業、ＭＥＭ
Ｓ分野への展開を考えている企業には、本技
術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権
•
•
•
•
発明の名称：光カプラースイッチ
出願番号：特願2012-042578
出願人：東北大学
発明者：羽根，金森，秋浜，宗正
•
•
•
•
発明の名称：光リング共振器
出願番号：特願2013-019644
出願人：東北大学
発明者：羽根，金森，佐々木
本開発はSCOPEの援助を受けた
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お問い合わせ先
東北大学 産学連携推進本部事業推進部
産学連携コーディネーター 岩渕 齋藤
ＴＥＬ ０２２－２１７ － ６０４３
ＦＡＸ ０２２－２１７ － ６０４７
e-mail liaison＠rpip.tohoku.ac.jp
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