シリコンチップ上に直接作製できる「ナノコンポジット磁性ガーネット材料」を開発 ―よりシンプルで高性能な集積型光アイソレーターを実証、 AI時代の高速・安定な光通信へ貢献―

2026-06-15 東北大学

東北大学と京セラの共同研究グループは、シリコン基板上に直接形成できる新しい磁気光学材料「ナノコンポジット磁性ガーネット膜」を開発し、それを用いた高性能な集積型光アイソレーターの実証に成功した。AI時代のデータセンターでは高速・低消費電力の光通信技術が求められており、シリコンフォトニクスの重要部品である光アイソレーターの高性能化と集積化が課題となっていた。従来は、高性能な単結晶磁性ガーネットはシリコン上に直接形成できず、多結晶膜は性能が低いという問題があった。研究チームは独自の緩昇温結晶化プロセスを用いて、Ce:YIG母相中に直径約10nmの酸化セリウム(CeO₂)ナノ粒子を均一分散させた新構造を実現した。このナノコンポジット構造により結晶性が大幅に向上し、磁気光学性能指数(FOM)は従来の多結晶Ce:YIG膜の約4倍となる510°/dBを達成した。さらに、この材料を非対称マッハ・ツェンダー干渉計に組み込み、接着層を用いないシンプルな構造で従来の集積型光アイソレーターに匹敵する性能を示した。本成果は、光通信デバイスの高集積化と低消費電力化を促進し、次世代データセンターや光コンピューティング技術の発展に貢献すると期待される。

シリコンチップ上に直接作製できる「ナノコンポジット磁性ガーネット材料」を開発 ―よりシンプルで高性能な集積型光アイソレーターを実証、 AI時代の高速・安定な光通信へ貢献―
図1. ナノコンポジット磁性ガーネット膜の電子顕微鏡像

<関連情報>

ナノコンポジットガーネットを用いたモノリシック集積型磁気光学アイソレーター(非対称マッハ・ツェンダー干渉計使用) Nanocomposite Garnet-Enabled Monolithically Integrated Magneto-Optical Isolator Using an Asymmetric Mach–Zehnder Interferometer

Tomoya Sugita,Hibiki Miyashita,Reona Motoji,Dan Maeda,Hiroki Yamamoto,Yuki Yoshihara,Kazushi Ishiyama,and Taichi Goto
ACS Applied Optical Materials  Published: June 12, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsaom.6c00176

Abstract

Monolithically integrated magneto-optical (MO) isolators are crucial for photonic integrated circuits. We demonstrate an isolator based on an asymmetric Mach–Zehnder interferometer with 4.4 dB MO-loading insertion loss and an 18.7 dB isolation ratio at wavelengths between 1550 and 1570 nm, using a nanocomposite garnet film that achieves both large Faraday rotation and compatibility with silicon substrates. The garnet composite consists of ∼10 nm cerium-rich segregations in a single-crystalline cerium-substituted yttrium iron garnet (Ce:YIG) matrix with 1–5 μm-scale grains on silicon substrates. These results demonstrate the effectiveness of nanocomposite garnet films prepared by gradual annealing for realizing integrated magneto-optical isolators. The nanocomposite garnet film exhibited a Faraday rotation of −0.25°/μm, an optical absorption of −4.9 dB/cm, and an MO figure of merit of 510°/dB, four times greater than that of our previously reported polycrystalline Ce:YIG film.

0403電子応用
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