2026/05/30 更新

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ショウジ　ユウヤ
庄司　雄哉
SHOJI YUYA
所属
総合研究院 未来産業技術研究所 准教授
職名
准教授
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News & Topics

研究キーワード

  • 光デバイス、光集積回路

  • 光デバイス

  • 磁気光学効果

研究分野

  • ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学） / 電子デバイス、電子機器

  • ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学） / 通信工学

所属学協会

論文

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MISC

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 光磁気変換を利用した導波路型スパイキング光ニューロン

    研究課題/領域番号：23H04802  2023年4月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  学術変革領域研究(A)

    庄司 雄哉

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    配分額：6500000円 （ 直接経費：5000000円 、 間接経費：1500000円 ）

    本研究は、光と磁気の相互変換を利用した導波路型のスパイキング光ニューロン素子の実現を目的としている。リング共振器の外周に配置した磁性体シナプスにおいて入力光によって磁化反転を与える。このシナプスは入力パルスの生じる発熱に対して蓄積と放熱効果を示し、ある臨界点以上の温度で磁化反転を生じる。このダイナミクスが、スパイキングニューロンに用いられるLeaky Integrated and Fire（LIF）モデルを物理的に模倣できると考えられる。シナプスの磁化反転によりリング共振器内に磁気光学効果を誘起し、入力光の信号強度が非線形に応答することから、読み出し光に対してニューロンの発火現象(スパイキング)を再現できる。
    今年度、このLIFモデル動作の原理検証を行った。シリコン光導波路上に磁性体シナプスとなるCoFeB薄膜を形成したデバイスを準備し、光パルス列の入力に磁化反転を評価した。複数の光パルスの数や間隔を変えて評価を行い、熱の蓄積効果に由来する磁化反転のタイミングの変化を実験的に観測することに成功した。この成果について、現在論文投稿中である。
    また、リング共振器の外周に磁性体を配置したデバイスの透過率変化についても並行して検証を行った。磁気光学材料Ce:YIG上のアモルファスシリコン導波路でリング共振器を作製した。外部磁場の掃引方向に対するヒステリシス的な非対称な応答が観測され、磁性体の磁化保持動作を確認することができた。これらの検討結果について成果発表した学生が、電子情報通信学会ソサイエティ大会で学術奨励賞を受賞する評価を得た。

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  • 磁性体を用いた集積型光メモリの創製

    研究課題/領域番号：22K18805  2022年6月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(萌芽)

    庄司 雄哉

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    配分額：6500000円 （ 直接経費：5000000円 、 間接経費：1500000円 ）

    本研究では光導波路によりチップ上に集積可能な光磁気メモリの創製を目指して研究を行った。データ読み出し回路となるリング共振器の外周に、データ書き込み用の光導波路と記録層を配置した構造を考案し、シミュレーションによりその実現可能性を明らかにした。記録層１セルの素子を試作し、外部磁場を印加しながらリング共振器の光透過率を測定することで、記録層にメモリされた磁化情報を読み出し光の強度比として取り出せることを確認した。

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  • 大規模光通信システムのための磁性フォトニックデバイスの開拓

    研究課題/領域番号：19H02190  2019年4月 - 2023年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(B)  基盤研究(B)

    庄司 雄哉

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    配分額：17160000円 （ 直接経費：13200000円 、 間接経費：3960000円 ）

    本研究課題では①低損失な導波路型光アイソレータと②超低消費電力駆動が可能な自己保持型光スイッチの開発を目的としている。本年度、それぞれの課題について以下の検討を実施した。
    まず①では、TE-TM半モード変換に基づく導波路型光アイソレータについて、低損失化のために不連続部のない新構造を提案した。従来構造は多モード導波路への非対称入射によってTE0次とTE1次モードを等分配励振していたが、新構造では導波路幅が相補的に変化する方向性結合器におけるモード進化を利用してTE0次とTE1次モードを生成する。新構造のデバイス設計と作製を行い、アイソレーション比15dBと挿入損失5dBのアイソレータ動作を実験的に得た。さらに、モード進化を利用したリング共振器型の光アイソレータについても提案と作製を行った。アイソレーション比22dBと挿入損失4.3dBのアイソレータ動作が実験的に得られ、その動作実証に成功した。
    次に②では、自己保持型光スイッチの磁化反転を制御する印加電流の高速化を検討した。50Ω整合したコプレーナ線路を装荷した光スイッチを製作し、GHzオーダーの高周波電流印加に対する光スイッチの出力応答を測定することで、電極から有効な磁場制御ができているかを確認した。その結果、100psまでの高速な立ち上がりを示す光応答が観測され、コプレーナ線路の有効性を実証できた。
    いずれの成果も、磁気光学効果を用いた光デバイスの実用性を示すものであり、これらはOptics Expressなどの学術誌や、応用物理学会学術講演会などで成果発表を行った。特にリング共振器型光アイソレータを発表したOptics ExpressではEditor’s Pickという編集者による注目記事として取り上げられた。

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  • 光磁気変換を用いた通信用磁性光メモリ

    研究課題/領域番号：16K06295  2016年4月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)  基盤研究(C)

    庄司 雄哉, 水本 哲弥

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    配分額：4810000円 （ 直接経費：3700000円 、 間接経費：1110000円 ）

    次世代光ネットワーク技術のキーデバイスである通信用光メモリについて、光磁気記録と磁気光学効果を用いた新規な磁性光メモリの実現を目的とし研究を行った。磁性光メモリ実現に向けて、薄膜磁石の残留磁化と磁気光学効果を用いた再生動作の検討、及び、キュリー点記録をベースとする光導波路を用いた光磁気変換方式による記録動作の検討を実施した。
    記録動作では、リング共振器を用いた高効率な光熱変換方式を開発し、光入力で300℃以上の温度上昇を確認した。
    再生動作では、FeCoB薄膜磁石を装荷したMZI型光メモリ回路を作製し、パルス電流により書き込まれた磁化情報を光透過率の変化として読み出す動作を実証した。

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  • 低温薄膜シリコンを用いた高速電気光変調器

    研究課題/領域番号：15K18061  2015年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究(B)  若手研究(B)

    武井 亮平, 亀井 利浩, 庄司 雄哉, 水本 哲弥, 前川 祐一

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    配分額：4160000円 （ 直接経費：3200000円 、 間接経費：960000円 ）

    本研究では、水素化アモルファスシリコンを中核とする300度以下の低温で成膜可能なシリコン薄膜技術を用いて半導体チップ上に直接形成可能なオンチップ光配線の実現を目指し、低温プロセスによるシリコン電気光変調器を提案している。中でも微結晶シリコンを用いることを特徴としている。
    パルス幅20psのポンプ光を用いたポンプアンドプローブ法による微結晶シリコンのキャリア緩和時間の計測を行った。その結果、緩和時間が1.2nsの早い緩和と7.5nsの遅い緩和現象が観測された。得られた知見は変調器の設計に使用される。

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  • 光ルータ用シリコン光集積回路の開拓

    研究課題/領域番号：26249047  2014年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(A)  基盤研究(A)

    水本 哲弥, 庄司 雄哉

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    配分額：41600000円 （ 直接経費：32000000円 、 間接経費：9600000円 ）

    ペイロード部分を光のままでルーティング処理する光ルータを構成することを最終目標として，波長変換器，波長選択光スイッチ，経路切替用光スイッチなどの機能素子をシリコン光回路プラットフォーム上で開発することを目的として研究を行った。成果として，波長変換器に必要な光アイソレータを，シリコン導波路上に磁気光学ガーネットを直接接合することによって製作し，TEモード動作，20～60°Cの温度範囲で温度によらない一定の阻止特性を実現することに成功した。さらに，光の波長ごとに経路選択する波長選択光スイッチ，自己保持動作を可能とする磁気光学光スイッチの動作実証を行い，光ルータ実現の基礎を構築した。

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  • 超低消費電力の自己保持機能を有する導波路型磁気光学スイッチの開拓

    研究課題/領域番号：24760270  2012年4月 - 2014年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究(B)  若手研究(B)

    庄司 雄哉

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    配分額：4680000円 （ 直接経費：3600000円 、 間接経費：1080000円 ）

    超低消費電力な光ネットワークに有用な自己保持機能を有する磁気光学スイッチを提案し、その実現に向けた開拓研究を行った。自己保持機能は磁気光学導波路の上部に形成した磁気記録材料の不揮発な磁化により得られる。本研究期間において、大きな磁気光学効果を持つCe:YIGを用いた磁気光学スイッチの基礎動作実証と応答速度計測を達成した。また、磁気記録材料の成膜と微小パターン化の検討を行った。

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  • 非相反移相型光アイソレータの高機能化に関する研究

    研究課題/領域番号：07J02624  2007年 - 2008年

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費  特別研究員奨励費

    庄司 雄哉

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    配分額：1800000円 （ 直接経費：1800000円 ）

    本研究の課題は「非相反移相型光アイソレータの高機能化に関する研究」であり、そのメインテーマのひとつがシリコン光回路を用いた超小型光アイソレータの開発である。本年度は、高精度の光導波路作製技術の習得とそれを用いた高機能なシリコン光回路の開発を行った。具体的な成果は以下の二点である。
    ・低損失なシリコン細線導波路の作製
    シリコン細線導波路は、本光アイソレータの小型化にあたり重要な役割を果たす。しかし、導波路作製時にできる側壁荒れによる伝搬損失増加の影響が大きい。そこで、導波路の作製プロセスと側壁荒れが生じる原因について詳細な検証を行った。その結果、昨年度以前のシリコン細線導波路の伝搬損失は38dB/cmであったのに対し今年度では18dB/cmまで改善された。また、このシリコン細線導波路を用いて光アイソレータの基盤となる超小型(100μm以下)のマッハツェンダー干渉計を作製し評価した。この結果、波長スペクトルから得られる消光比は最大で28dBであり、昨年度動作実証に成功したシリコン光アイソレータの消光比21dBよりも大きく、その特性改善が期待できる。
    ・シリコン導波路による偏光分離素子の開発
    非相反移相型光アイソレータは通常のタイプであるとTMモードでの動作となる。今後、一体集積回路化に向けた偏光無依存動作を実現するために、偏光ダイバーシティの導入が必要とされている。今回、シリコン光導波路を用いて偏光分離素子の試作と評価を行った。リブ型シリコン導波路によって方向性結合器を作製し、クロストークが-10dB以下のTEモードとTMモードの分離動作が得られた。

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  • シリコンフォトニクスを用いた高機能光回路の開発

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    資金種別：競争的資金

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