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
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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
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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
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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
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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
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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
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光スイッチによる省エネ(3): OLT電力比較
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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
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相変化材料を用いた自己保持型光スイッチ
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スイッチ特性の比較
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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
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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
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GST (GexSbyTez)
11
Amorphous
Ge2Sb2Te5 (GST-225)
Temperature [ºC]
Melting point
Amorphization condition
Crystallization condition
618
140
Time [ns]
100 Crystalline
Crystallization point
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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
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GSTの光学特性(3)
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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
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GSTの光学特性(4)
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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
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光ゲートスイッチの構造
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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).
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SEM 写真
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実験系
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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
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波長依存性
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繰り返し動作
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Extinction Ratio: 9.3 dB Cycles: >2000
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応答速度評価
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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
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2x2 スイッチ(3平行導波路型)
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Si Waveguide
Ge2Sb2Te5
SiO2 Cladding
~10 µm
350 nm
200 nm
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Directional coupling in three waveguides
Equation of each coupling length λ: wavelength n: effective refractive index of each mode
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2x2 SW FDTD シミュレーション例
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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
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ブロッキング4x4SWレイアウト例
24
50um
100um
80um
35um
25um
現在、試作中
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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
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
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
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
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)