成果報告書詳細
管理番号20130000000682
タイトル平成23年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 高速・自己保持機能を有する光スイッチング回路の研究開発
公開日2013/7/30
報告書年度2011 - 2012
委託先名学校法人慶應義塾 独立行政法人産業技術総合研究所 エピフォトニクス株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約件名:平成23年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 「高速・自己保持機能を有する光スイッチング回路の研究開発」

本研究開発は、超高速に光信号をスイッチングし、スイッチング状態を外部からのエネルギー供給無しに維持することができる自己保持機能を有する光スイッチング回路を開発するもので、この技術を実用化することにより、光スイッチ自体の消費電力を低減し、さらには、通信装置内の光信号-電気信号変換器、電気スイッチを削減し、情報通信ネットワークにおける消費エネルギーを大幅に削減することができる。具体的には、ナノ秒でスイッチング可能なPLZT(ランタンドープジルコン酸チタン酸鉛)を利用した光スイッチに自己保持機能を付与して省電力化を図るとともに、石英導波路技術と組み合わせて高機能化する技術を開発することである。また、通信波長帯において動作する相変化材料を開発し、シリコン導波路に集積して、自己保持型波長スイッチを実現する。これらの超高速に動作し、自己保持機能を有する光スイッチの特長を活用する省電力光ネットワーク構成を明らかにすることも目的とする。
PLZT導波路型光スイッチの開発では、1x16光スイッチをスイッチ制御回路、シリアルインターフェース/D-Subコネクタを装備するパッケージに実装し、スイッチング速度10ns、挿入損失7.9dB、偏波依存損失0.7dB、消光比28.6dB、ラッチ199時間を達成した。PLZT波長スイッチの開発では、8CH PLZT-AWG波長スイッチを試作して、スイッチング速度20ns、波長間隔100GHz、クロストーク-15dBを実現した。また、偏波ダイバーシティ構造を有する16CHのPLZT波長スイッチを試作し同様の特性を得た。PLZT-PLCハイブリッド光スイッチでは、200GHz-20CHの波長選択光スイッチを試作し、挿入損失11.2dBを実現し、波長選択動作を確認した。
相変化材料を用いた波長スイッチの開発では、Si導波路上に相変化材料を積層し、波長シフト動作を確認している。また、光スイッチ用材料開発を実施し、屈折率実部変化量38%、虚部の値0.3を達成した。サブナノ秒光パルスによるフォトンモードでの相変化を確認し、ナノ秒以下のスイッチ構成の可能性を見いだした。
高速・自己保持型光スイッチを活用する省エネルギーネットワークの検討では、MACレイヤおよびアプリケーションレイヤでの品質を評価するために、実ネットワークを模擬したシステムを構築した。模擬ネットワークにPLZT光スイッチを挿入して導通試験を行い、映像伝送が可能であることを確認した。

英文要約Title: Research and Development Program for Innovative Energy Efficiency Technology Research and Development on Optical Switching Device with High-Speed and Self-Holding Characteristics (FY2011-FY2012) Final Report

The objective of the project is the development of an optical switching circuit with self-holding characteristics; it can switch optical signals at very high frequency and keep its switching states without energy supply. We can drastically reduce the energy consumption in network systems by use of optical switches because most of optical-to-electrical and electrical-to-optical converters can be eliminated, in addition, the self-holding type optical switch consumes smaller power compared to usual optical switches. This project developed optical switches using PLZT ((Pb, La)(Zr, Ti)O3), which has very high-speed switching time and the switching states can be hold by applying voltage to the electrodes with very small leak current. We also developed the optical switch using silicon wire waveguides and phase-change material (PCM). PCM has two stable states, amorphous state and crystalline state. The PCM-based optical switch has self-holding characteristics and its switching time is less than 1000 ns. Furthermore, we studied the energy-efficient network architecture using optical switching circuits with self-holding characteristics.
We have fabricated a PLZT-based 1x16 optical switch circuit; it is equipped with a switching control circuit, drivers, and serial inter faces and it is packaged in a chassis. The switching time is 10 ns, the insertion loss is 7.9 dB, the polarization dependent loss is 0.7 dB, the extinction ratio is 28.6 dB and the latching time is 199 hours. A PLZT-based wavelength switch, which uses an arrayed-waveguide grating structure, is also fabricated. It has eight output waveguides with a frequency spacing of 100 GHz. The wavelength switching time is 20 ns, and the crosstalk is -15 dB. We also fabricate 16-channel PLZT wavelength switch and it has similar characteristics. We combine two different waveguide substrates, a PLZT substrate and a silica substrate, to enhance device scale with low-loss characteristics. With this technology, a wavelength selective switch is fabricated. It has an insertion loss of 11.2 dB.
The PCM-based wavelength switch have been designed and fabricated. A PCM thin film of 1000 nm x 1000 nm was formed on the Si waveguide. To reduce the loss due to the PCM film, the width of Si waveguide was optimized. We confirmed the shift of transmission spectra. We also developed novel PCM for optical switches; it had more than 38%-change in real part of refractive index and that of imaginary part was less than 0.3. In addition, we observed photon-mode phase change phenomena. The phase-change is occurred by irradiating sub-ns optical pulse without thermal effect. It indicates that the high-speed optical switching less than ns is possible.
We constructed an energy-efficient network demonstration system; it used PLZT-based optical switches and it could evaluate communication quality on both MAC layer and application layer. We confirmed that the system can transmit video signals with PLZT-based optical switches.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る