今回提案された光位相器は、Si-on-insulator基板のシリコン層を矩形状に加工したシリコン光導波路上にGSTSを積層した構造だ。GSTSの相変化で大きな屈折率変化が生じることから、シリコン光導波路中を伝搬する光信号の位相を変調することができる。また、シリコン光導波路上の二酸化珪素層に窓が開けられており、同光導波路が露出した部分にGSTSが堆積された構造でもある。
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新しく開発した相変化材料であるGSTSを用いた光位相器の素子構造(出所:共同プレスリリースPDF)
この光位相器によるシリコン光導波路中を伝搬する光信号の位相変化や吸収変化の評価が行われた。210℃で加熱して、GSTSを結晶化した際に生じた位相変調量の位相器長に対する評価が実施されたところ、10μm程度と極めて短い素子長で、p(180度に相当)の位相変化が得られたとした。
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試作されたGSTSを用いた光位相器の電子顕微鏡写真(出所:共同プレスリリースPDF)
各動作波長において、位相変化がpとなる際の光損失変化の評価では、GSTと比べ、どの波長もGSTSの光損失変化が小さいことが確認された。また動作波長が長波になるに従って損失は減少し、波長2.34μmのときに光損失は0.29dBと極めて小さくなることも明らかにされた。
次に、従来の相変化材料を用いた光位相器との性能比較が行われた。すると、GSTSは2.34μmの動作波長で、性能指数が94.1だった。同指数は高いほど低損失な位相器動作が得られ、この値は従来の相変化材料を用いた光位相器の中では最高値となる。このことから、GSTSを用いた低損失かつ不揮発な光位相器の実証に成功した。
続いて、シリコン光導波路で形成されたリング共振器中に、GSTSを用いた光位相器を集積した素子が作製された。そして、GSTSを110℃から210℃に加熱することで結晶化して位相をシフトさせることで、リング共振器の共振波長を光損失の影響を受けることなくシフトさせることに成功。この結果は、光損失の影響を受けずにシリコン光回路をプログラミングできることを示しており、深層学習や量子計算に応用できることが確かめられた。この成果により、半導体の微細化に依存せずにコンピュータの演算性能を大幅に向上できることが期待されるとした。
今後は、光パルスや電流パルスでの書き換え技術を開発するとともに、大規模なシリコン光回路に集積することで、深層学習アクセラレータや量子計算機の実証を目指すとした。
