超低消費電力光ノード実現に向けた超小型高速相変...

超低消費電力光ノード実現に向けた超小型高速相変化光スイッチの研究開発

津田裕之(1) 斎木敏治(1) 河島整(2) 桑原正史(2) 王暁民(2) 金高健二(2) 庄司雄哉(2)*

(1) 慶應義塾大学理工学部電子工学科

(2) (独)産業技術総合研究所 * 現東京工業大学

H24.10.2 ICTイノベーションフォーラム C3-1, 幕張メッセ、千葉

目次

1. 背景

• 光スイッチ技術と省エネ見積もり

2. 相変化材料を用いた自己保持型光スイッチ

• 相変化材料の特性

• 光ゲートスイッチ

• ２ｘ２スイッチ

３. まとめ

1


1. 背景

2

λ3

λ2

λ1

Routing

Transmission

Node

Optical Fiber

Laser diode, modulator, fiber, EDFA, WDM coupler, photodiode, etc.

Photonic NW

Research target:

a fast, small and low-power consumption optical switch


光スイッチ技術

3

Speed

Scal

e

2x2

8x8

4x4

16x16

1ms 1µs 1ns

80x80

SOA

MEMS LCOS

PLC

MEMS: Micro Electrical Mechanical Systems LCOS: Liquid Crystal on Silicon

PLC: Planar Lightwave Circuit (Silica)

LN: Lithium Niobate PLZT: Lanthanum-doped Lead Zirconate Titanate

SOA: Semiconductor Optical Amplifier

Si Thermo-optic

III-V LN

PLZT


光スイッチ技術の課題

4

実用化されている光スイッチが少ない →光スイッチの特性が不十分

１．偏波無依存２．低クロストーク（-40dB以下）３．広帯域動作（少なくともCバンドカバー）４．低損失

★1-4を満たす光スイッチは低速 LCOS, MEMS, 石英導波路等


光スイッチによる省エネ（１）：トラフィック予測

5

0.1

1

10

100

1000

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035

10000

西暦（年）日本

国内

トラ

フィ

ック

（Tbi

t/s）

丸印は総務省データ

100億kWh/年

116 Tbit/s 463 Tbit/s

1兆kWh/年

10兆kWh/年

1000億kWh/年

光スイッチの省エネ光ネットワークの省エネ

光ネットワークによる省エネ


光スイッチによる省エネ（2）：コアルータ電力比較

6

光マトリックススイッチ

（256 x 256）

制御回路、空調

電気入出力40G x 16 x 2

光ファイバ8本波長多重数32（40G x 256 ch）

光増幅器

16slot shelf

16slot shelf

40G x 16 x 16 ch

Fabric cardchassis

Fabric cardchassis

16slot shelf

16slot shelf

16slot shelf

光ルータ

電気ルータ

16slot shelf

・機能は同等ではない。

520 kW

13 kW

CISCO社 CSR-1の公表値利用


光スイッチによる省エネ（3）： OLT電力比較

7

事業者側装置多重分離装置

加入者側装置

エッジ、アグリゲーションルータ OLT

ONU25.6台

128台

集線、OLTに光スイッチを適用する効果 5 kW → 1kW

CISCO社の公表値利用

スループット：1 Tbit/s

H24.10.2 ICTイノベーションフォーラム C3-1, 幕張メッセ、千葉 8

相変化材料を用いた自己保持型光スイッチ


スイッチ特性の比較

9

Material Index-control mechanism

Refractive index change

Switching speed

Self-holding characteristics

Silica、Si Thermo-optic 0.05-0.5% µs~ms Not available

LN Electro-optic 0.1% ps Not available

III-V Plasma effect 0.5% ns Not available Phase-change

material Phase change > 30% < 100 ns Available

Small-sized

Fast switching

Low-power consumption amorphous crystalline

Phase-change


相変化材料

10

Optical rewritable media (DVD-RW, etc.)

Phase-change random access memory (PRAM)

DVD-RW PRAM

512-Megabit chip (Samsung, 2009)

Optical recording Electrical recording


GST (GeｘSbｙTeｚ)

11

Amorphous

Ge2Sb2Te5 (GST-225)

Temperature [ºC]

Melting point

Amorphization condition

Crystallization condition

618

140

Time [ns]

100 Crystalline

Crystallization point


GSTの光学特性

400 600 800 1000 1200 1400 1600 0

1 2

3

4

5 6

7

8

GS

T147

n,k

Wavelength [nm]

a-GST147 n a-GST147 k c-GST147 n c-GST147 k

400 600 800 1000 1200 1400 1600 0

1

2

3

4

5

6

7

8

GS

T124

n,k

Wavelength [nm]

a-GST124 n a-GST124 k c-GST124 n c-GST124 k

エリプソメータによる薄膜評価例

12


GSTの光学特性(3)

13

Lenses

Laser

SiO2

Si

GST225

ZnS-SiO2

Time

Power

~200 mW

8~600 ns PG

λ = 660 nm

Single-mode fiber

SOI (Silicon on insulator )

Si

1.2 µm N. A. = 0.8


GSTの光学特性(4)

14

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 200 400 600 Pulse width [ns]

Pow

er [m

W]

I II

III

0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

50 100 150 200 Pulse width [ns]

Pow

er [m

W]

IV

V

I. Unchanged

II. Crystallization

III. Amorphization

IV. Unchanged V. Amorphization

Ge2Sb2Te5 (GST-225) -25 nm

Suitable for crystallization

Suitable for amorphization


光ゲートスイッチの構造

15

4.4 + 0.098i (amorphous state)

7.1 + 0.78i (crystalline state)

Complex refractive index of Ge2Sb2Te5 at 1550 nm

Phase- change

Daiki Tanaka, Yuya Shoji, Masashi Kuwahara, Xiaomin Wang, Kenji Kintaka, Hitoshi Kawashima, Tatsuya Toyosaki, Yuichiro Ikuma, and Hiroyuki Tsuda, Optics Express Vol. 20, Iss. 9, pp. 10283–10294 (2012).


SEM 写真

16



実験系

17

PG

LD λ: 660 nm

LD: Laser diode PG: Pulse generator

Crystallization pulse: width 400 ns, peak power 50 mW Amorphization pulse: width 40 ns, peak power 160 mW

Laser pulse irradiation

Optical pulse

Electrical pulse

Bias-T Bias current

Optical fiber Coaxial cable

Lenses

N. A. = 0.8


波長依存性

18



繰り返し動作

19

Extinction Ratio: 9.3 dB Cycles: >2000



応答速度評価

20

時間(ns)

光出

力(a

. u. )

光出

力(a

. u. )

0

0.5

1

-100 0 100 200 300 400

-100 0 100 300 500 700 0

0.5

1

130 ns

400 ns


2x2 スイッチ（３平行導波路型）

21

Si Waveguide

Ge2Sb2Te5

SiO2 Cladding

~10 µm

350 nm

200 nm

22

Directional coupling in three waveguides

Equation of each coupling length λ: wavelength n: effective refractive index of each mode


2x2 SW FDTD シミュレーション例

23

OUT 1 OUT 2 OUT 1 OUT 2

9.8 um

アモルファス状態結晶状態

状態 OUT 1 OUT 2 amo -21.0 dB -0.5 dB cry -3.0 dB -10.8 dB


ブロッキング4x4SWレイアウト例

24

50um

100um

80um

35um

25um

現在、試作中


相変化材料を用いた自己保持型光スイッチまとめ

(1) 相変化材料を用いた光スイッチの提案

• 小型、高速、広帯域、かつ、自己保持特性

(2) MMI型光ゲートスイッチ

• スイッチング時間： 130 ns（アモルファス化）、400 ns（結晶化）

• 動作波長: 1525-1625 nm

• 消光比: 9.3 dB

• 繰り返しスイッチング回数: > 2000

• 相変化材料寸法： 1 µmφ

(3) 2 x 2 Optical unit switch

• 相変化材料長: 9.8 µm (under fabrication)

25


研究目的： Siフォトニクス技術とGeSbTe系の相変化材料を組み合わせた、スイッチング時間 100ns以下、全長20ミクロン以下、かつ、自己保持機能を有する光スイッチを実現する。

Siフォトニクス技術・Si細線導波路プラズモン共鳴

＋

相変化材料（Ge2Sb2Te5等）・メモリ性（DVD等で実用化）・高速相変化（100ns、フェムト秒パルス）・複素屈折率変化大（>30%）

新規光スイッチ（光制御型及び電気制御型）・自己保持機能（低消費電力）・高速性（100ns以下）・超小型（全長20µm以下）→ 大規模化

15 µm

光ノード・ルーティングの高速化（石英、MEMS、液晶より高速）・高速スイッチングによるバッファメモリ削減→ノードの低消費電力化、低遅延化・自己保持機能によるスイッチング自体の低消費電力化

低遅延・省電力NWの実現と双方向通信サービスの隆盛

高速相変化素過程の解明

期待される研究成果とその社会的意義


研究目的： Siフォトニクス技術とGeSbTe系の相変化材料を組み合わせた、スイッチング時間 100ns以下、全長20ミクロン以下、かつ、自己保持機能を有する光スイッチを実現する。

光ゲートスイッチの実現・スイッチング速度 100ns ・ゲート部寸法 1µm ・スイッチング回数 > 2000回

２ｘ２スイッチの設計・相互作用長 9.8 µm ・消光比 > 18 dB ・損失 2.2 dB

相変化材料の検討・系統的材料探索・金ナノ粒子による低しきい値化・相変化メカニズムの理解

εA εC

波長

散乱

断面

積

ε

フェムト秒パルス

金属ナノ粒子

研究開発の結果及び成果

研究成果の社会的意義・社会への波及効果

プロテクションスイッチ光ノードの空間スイッチ

相変化光スイッチの特長

自己保持性（メモリ性）高速性（LCOS, MEMSの置き換え）超小型（大規模化の可能性）

次世代光NWへの適用省電力、リアルタイムNWの実現

大容量・双方向サービスの隆盛

スイッチング回数

損失

（dB

）

Si waveguide

Ge2Sb2Te51 µmφ

X (µm)

Z (µ

m)

Z (µ

m)

Si導波路

GST薄膜/Si導波路

9.8 µm

時間(ns)

光出

力(a

. u. )

-100 0 100 300 500 700

0

0.5

1400 ns

光出

力(a

. u. )

0

0.5

1

-100 0 100 200 300 400

130 ns

時間(ns)

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