新しい相変化材料を用いた低損失不揮発光位相器を開発 ～シリコン光回路を用いた深層学習や量子計算への応用に期待～

2022-12-04 東京大学,科学技術振興機構

ポイント

• 新しい相変化材料である硫化ゲルマニウムアンチモンテルル（ＧＳＴＳ）を開発。
• シリコン光導波路上にＧＳＴＳを堆積させた光位相器は、低損失かつ不揮発な光位相変調動作が可能であることを実証。
• シリコン光回路に集積することで、光演算を用いた深層学習や量子計算への応用が期待され、ムーアの法則に依拠しないコンピューティング技術の発展に貢献すると考えられる。

東京大学 大学院工学系研究科 電気系工学専攻の竹中 充 教授、宮武 悠人 大学院生、トープラサートポン・カシディット 講師、高木 信一 教授らは、産業技術総合研究所の牧野 孝太郎 主任研究員らと共同で、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業の支援の下、新しい相変化材料である硫化ゲルマニウムアンチモンテルル（ＧＳＴＳ）を用いた低損失かつ不揮発な光位相器の開発に成功しました。ＧＳＴＳをシリコン光導波路上に堆積した素子において、ＧＳＴＳがアモルファス（非晶質）状態から結晶状態に変化する際に生じる単位損失あたりの屈折率変化が従来技術よりも２０倍以上大きくなることを実証しました。これにより、光損失が極めて小さく、小型かつ、光位相変化量をＧＳＴＳの結晶状態で記憶できる不揮発光位相器を実現しました。

光位相器を多数集積したシリコン光回路は光演算による深層学習加速や量子計算への応用が期待されている一方、光位相器の光損失や消費電力、素子サイズなどが集積化の課題となっていました。今回新たに開発した光位相器を用いることで、低損失化や小型化、不揮発化による低消費電力化が可能となります。これにより集積化の課題が解決することから、シリコン光回路を用いた光演算によりムーアの法則に依拠しない新しいコンピューティングの実現に大きく寄与するものであり、Ｓｏｃｉｅｔｙ５．０社会を支える基盤となることが期待されます。

本研究成果は、２０２２年１２月３日（米国太平洋標準時）に国際会議ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇで発行される「Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ」に掲載されます。

本研究は、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ（グラント番号：ＪＰＭＪＣＲ２００４）およびＪＳＰＳ科研費（グラント番号：ＪＰ２０Ｈ０２１９８、ＪＰ２１Ｊ２０２７２）の支援により実施されました。

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＜論文タイトル＞

“Record-low Loss Non-volatile Mid-infrared PCM Optical Phase Shifter based on Ge₂Sb₂Te₃S₂”

＜お問い合わせ先＞

＜研究に関すること＞
竹中 充（タケナカ ミツル）
東京大学 大学院工学系研究科 電気系工学専攻 教授

＜ＪＳＴ事業に関すること＞
嶋林 ゆう子（シマバヤシ ユウコ）
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

＜報道担当＞
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
科学技術振興機構 広報課