種村 拓夫/TANEMURA Takuo

種村 拓夫 准教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
光集積回路、ナノフォトニクス、光イメージング、光情報処理
【研究室URL】
http://www.ee.t.u-tokyo.ac.jp/~nakano/lab/member/tanemura_j.html

研究内容

当研究室では、数ミリ角の半導体チップの内部に光を閉じ込めて、その状態を自在に操作する「光の集積回路」の研究を進めています

「光の回路」と言うと、現在用いられているLSIの「電子」を「光」に置き換えたものを想像するかもしれませんが、そうではありません。当研究室で目指すのは、線形性、並列性、高速性など、電子にはない光ならではの特徴を利用しながら、適宜、頭の良い演算は電子回路に任せる、いわゆる「良いところ取りの光電子集積回路」です。大規模に集積することで、これまでの光エレクトロニクスの延長にはない新しい価値を創り出し、光通信、光演算、イメージング、センシングなど、幅広い分野に応用することを目的としています。具体的には、以下のような研究テーマを進めています。

光集積レーザスキャナ・イメージング素子

無線通信で用いられているフェーズアレイアンテナを光の波長帯に適用し、数ミリ角の半導体チップ内に集積することで、高速なレーザスキャナやイメージング素子を実現しています。アレイ状に並べた無数の光位相制御器(位相シフタ)を“頭の良い電子回路”を用いて制御することで、任意の光波面を合成することが可能になり、例えば光の出射方向を高速に切り替えることができます。これまでに、100ポート大規模光集積スイッチや空間ビームスキャンニングチップを作製し、ナノ秒オーダーの高速動作を世界に先駆けて実証しました(図1)。このような光集積スキャナは、将来の自動運転車や自律ロボットにおいて必須となるLiDAR(レーザ光を用いた3次元イメージングセンサ)を安価かつコンパクトに実現する技術として、近年急速に注目を集めています。デバイス開発だけでなく、光集積スキャナを用いたゴーストイメージングや圧縮センシング手法など、高度なアルゴリズムの探求も重要な研究テーマです。

光ユニタリ変換回路・機械学習光回路

光集積スキャナを多入力に拡張することで、直交した光空間モード(基底)を任意の異なる直交モードに変換する「光ユニタリ変換回路」も実現できます。当研究室では、「多面光波変換手法」に基づく独自の光ユニタリ変換回路を提案・開発し、機械学習アルゴリズムにより再構成させることで目的に応じた線形処理が得られることを実証しています(図2)。このようなユニバーサル光演算回路は、次世代の空間モード多重光通信をはじめ、量子コンピューティングや高速な機械学習回路に適用できると期待されています。

光メタマテリアル高速光波変調素子

光の持つ「並列性」を上手く利用すると、半導体チップに対して素直に光を入出力し、大規模アレイを用いて並列に変調する回路も実現できます。当研究室では、波長以下の微細構造表面(2次元メタマテリアルやメタ表面などと呼ばれています)を用いて光を薄い膜内に局在させ、電気光学(EO)ポリマー材料を埋め込むことで効率良く光変調を行う素子を新しく提案し、研究を進めています(図3)。このような技術が実現すれば、大量の光信号を同時に変調したり、光波面を精度良く高速に合成することが可能になり、LiDAR、イメージング、光無線通信、レーザ加工など広範な応用が期待されます。

偏波操作光集積回路

光の特徴である「偏波状態」を半導体チップ内で自在に操り,検出する技術を研究しています。従来の光集積回路では難しかったチップ内部での偏波変換を可能にするために、当研究室では、独自の「ハーフリッジ型偏波コンバータ」を提案・開発し、96%以上の偏波変換効率、1dB以下の光損失など、良好な特性を実証しました。さらにこの技術を基に、偏波状態を高速に切り変える偏波変調回路や偏波状態を検出する偏波アナライザなど、オリジナルの光回路を考案し、実証しています(図4)。その上で、光の偏波状態を積極的に活用する次世代光通信システムや光センシングへの展開を目指しています。

当研究室は、中野義昭教授と共同で運営しております。「光」と「電子」、「ハード(デバイス)」と「ソフト(情報処理)」を切り分けずに、両者を理解して、それぞれの長所を活かす解を探求します。また、机上の空論に終わることなく、実際にモノを作り、システムを組み上げて実証することを重視しています。物性から情報処理まで幅広い興味があり、意欲的に取り組みたい学生を歓迎します。

学生へのメッセージ

学部までの勉強とは異なり、研究は、広い砂漠の真ん中に放り出されて、漠然と「宝を探せ」と言われるようなものだと思います。当然、最初はどちらに進めば良いか分からず、多くの場合、「何をすれば意味があるのか?」という具体的なゴールさえ良く分かりません。そこで試されるのは、「自分で調べ、自分で考え、自分で手を動かし、自分で解決する力」です。これは、研究職を目指す人はもちろんですが、社会に出てどんな仕事に就いても普遍的に求められる大変大事な力です。大学院での研究は、その力を鍛えるための絶好の練習問題を与えてくれます。ぜひこの貴重な機会に受け身にならず、貪欲に成長して下さい。

図1:InP(インジウムリン)チップ上に集積したフェーズアレイ型高速レーザスキャナ
図2:シリコンチップ上に集積した3×3光ユニタリ変換回路
図3:光メタ表面とEOポリマーを用いた高速光波面変調素子
図4:InPチップ上に集積した高速偏波アナライザ