UTAKA, Katsuyuki

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Affiliation

Faculty of Science and Engineering, School of Fundamental Science and Engineering

Job title

Professor

Homepage URL

http://faculty.web.waseda.ac.jp/utaka/

Concurrent Post 【 display / non-display

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Advanced Science and Engineering

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Fundamental Science and Engineering

  • Affiliated organization   Global Education Center

Research Institute 【 display / non-display

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

  • 2017
    -
    2021

    低消費電力光インターコネクション研究所   プロジェクト研究所所長

Education 【 display / non-display

  •  
    -
    1981

    Tokyo Institute of Technology   Graduate School of Science and Engineering   Major in Electronics  

  •  
    -
    1976

    Waseda University   School of Science and Engineering   Department of Electronics and Communications  

Degree 【 display / non-display

  • Tokyo Institute of Technology (Japan)   (BLANK)

  • 東京工業大学(日本)   工学博士

Research Experience 【 display / non-display

  • 1995
    -
     

    present Waseda University, professor

  • 1981
    -
    1995

    KDD R&D Laboratories, researcher

  • 1985
    -
    1986

    California Institute of Technology, visiting associate

Professional Memberships 【 display / non-display

  •  
     
     

    Japanese Journal of Applied Physics

  •  
     
     

    Insititute of Electric and Electronics Engineers

  •  
     
     

    Japanese Society of Applied Physics

  •  
     
     

    Insitetute of Electronics, Information, Communication Engineers

  •  
     
     

    Insitetute of Electronics, Information, Communication Engineers

 

Research Areas 【 display / non-display

  • Electron device and electronic equipment

Research Interests 【 display / non-display

  • Photonics

Papers 【 display / non-display

  • Ultra-Low Power Optical Switches (invited)

    Katsuyuki Utaka

    Proc. of Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference (OFCNFOEC 2011)   OMK6  2011.03  [Refereed]

  • High sensitive surface plasmon resonance sensor in metallic grating loaded waveguide

    Hirofumi Shimazu, Kouichi Takasaki, Katsuyuki Utaka

    Proc. of 15th OptoElectronics and Communications Conference (OECC2010)   9D4-4  2010.07  [Refereed]

  • Short length of single walled-carbon nano tubes for application to optical devices

    Shinichiro Kato, Yusuke Miyazaki, Tadashi Takashima, Katsuyuki Utaka

    Proc. of 15th OptoElectronics and Communications Conference (OECC2010)   8E2-2  2010.07  [Refereed]

  • Proposal of InAlGaAs/InAlAs/InP 1×2 Cross-point Optical Switch with Refractive Index Modulation of MMI and 45° TIR Mirror

    Shinji Fujimoto, Yuta Ueda, kazuki Kambayashi, Katsuyuki Utaka

    Proc. 22nd International Conference on
Indium Phosphide and Related Materials (IPRM2010)   WeP20  2010.05  [Refereed]

  • Very Low-Power, Polarization-Independent, and High-Speed Polymer Thermooptic Switch

    Nan Xie, Takafumi Hashimoto, Katsuyuki Utaka

    IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS   21 ( 24 ) 1861 - 1863  2009.12  [Refereed]

     View Summary

    This letter demonstrates the design and experimental verification of a very low-power consuming, polarization-independent, and high- speed polymer Mach-Zehnder 2 X 2 photonic switch. This thermooptic switch operated with less than 4 mW of power consumption via a small-area heater. This device is, to the author's best knowledge, the most efficient and practical polymer photonic switch operating with polarization independence and low crosstalk of less than 25 dB.

    DOI

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Awards 【 display / non-display

  • 電子通信学会篠原学術記念賞

    1985  

Research Projects 【 display / non-display

  • Development of ultra-low power consumption polymer three-dimensional optical interconnection switching devices

    Project Year :

    2012.04
    -
    2015.03
     

     View Summary

    In order to realize low-power consumption polymer three-dimensional (3D) switching circuits and develop related polymer functional devices, first we solved the issues of cracking due to multi-layer stacking of different kinds of polymers and deformation of waveguide shapes by optimizing the fabrication process. On the basis of these results, 4x4 configuration 3D optical switches were realized. Operation with rather low-power consumption, almost polarization independence and wide-wavelength range of 1530 to 1610nm was experimentally realized, showing the possibility to effectiveness of polymer waveguides to low-power consumption 3D optical switching circuits. At the same time, as the extension of polymer waveguide technologies to functional optical devices, an optical ring-resonator filter integrated with semiconductor optical devices and a waveguide-type Kretschmann surface plasmon resonant sensor were realized and clarified the wide effectiveness of polymer waveguide devices

  • Active Compensation of the substrate temperature for the growth of high quality II-VI compound films

    Project Year :

    2004
    -
    2007
     

     View Summary

    Active compensation of the substrate temperature during the MBE growth of wide bandgap II-VI alloy materials were further applied for various complicated structures, namely superlattices, and delta-doping structures.
    Different from conventional III-V compound semiconductors such as GaAs, the materials property is significantly affected by the substrate temperature. II-VI wide bandgap compounds were usually grown under lower temperatures than Ga As and related materials, perturbation of the substrate temperature during the growth would cause the deterioration of the film quality of the epitaxial layer. In this research project, heater was introduced to the MBE chamber at the location of source material cells. The substrate temperature perturbation would take place when the cell shutter was opened so that the molecular beam would be introduced toward the substrate since the heat irradiation from the hot cell would take place. The additional heater was to cancel the heat irradiation from the source material cell when those shutters were closed.
    High quality ternary compound of ZnMgCdS layers were previously grown using this active compensation technique. This technique was also applied for the growth of superlattice structures, namely ZnMgS/ZnCdS, and ZnSe/MgCdS. Uniform layers structure was confirmed by TEM measurement and narrower X-ray diffraction FWHM were obtained by introducing the active compensation technique. This technique was further introduced for the growth of ZnTe homoepitaxial layer where complicated shutter sequence was introduced to form the delta co-doping structure. The PL properties were improved by using this active compensation technique.
    This active compensation of the substrate is a powerful tool to obtain the high quality II-VI epitaxial layers by MBE.

  • フォトニクスと先端光子材料開発

    ハイテク・リサーチ・センター整備事業

    Project Year :

    1996
    -
    2000
     

  • optical device application of 2D nano-array structures

    Project Year :

    1999
     
     
     

  • photonics and advanced photonic materials

    Project Year :

    1996
     
     
     

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Specific Research 【 display / non-display

  • ポリマー多次元光スイッチングインターコネクション集積デバイスの開発

    2017   松島 裕一, 石川 浩

     View Summary

     ポリマー光スイッチの低消費電力動作を実現すべく、電極材料及び熱の閉じ込めためのトレンチの導入の検討を行った。電極についてはヒータ温度上昇率の点で検討を行い、ポリマーとの密着性も考慮した電極材料を採用し、3次元4x4光スイッチにおいて約5mWの動作を実現した。他方、トレンチの効果について2次元2x2光スイッチで検討を行い、約5mWの低消費電力動作を確認した。またポリマー導波路の3次元光接続用水平方向垂直光方向光軸変換用として、斜め反射面の形成を試みた。ポリマー露光時に紫外光の斜め入射により実現し、その有効性を実証した。ポリマー介在層を用いたシリコン基板上チップ接合技術を概ね確立した。

  • ポリマー多次元光スイッチングインターコネクション集積デバイスの開発

    2016   松島 裕一, 石川 浩

     View Summary

    LSI内のグローバル配線や積層LSI間の光インターコネクション用として、3次元ポリマー光スイッチを開発した。ポリマーとしてSU-8とPMGIを用いて、2層導波路内に複数のマッハツェンダ型光スイッチと、その層間を方向性結合器または多モード干渉導波路で接続した全体で5層構造構造からなる。熱膨張係数の異なる2種類のポリマーにおいて、積層時の歪みやクラックの発生を防止すべく、各層ごとにステップ型の徐熱・徐冷のベーキングを行い、3次元4x4ポート光スイッチを実現した。スイッチング電力は熱拡散及び熱干渉により約18mWと高いが、低偏光依存で1530〜1610nmの広波長域での特性などを達成した。

  • 光ネットワーク用超低消費電力高速多チャンネル光スイッチの開発

    2011  

     View Summary

    これまで我々が作製してきたハイブリッド構造を有するInAlGaAs マッハ・ツェンダ型光スイッチ(MZ-OS)は偏光・波長依存性、消費電力、スイッチング速度の観点から光パケットスイッチング(OPS)実現に資する特性を有していると考えられる。しかしながら入出力ポートが2x2と小規模であり、実用のためにはこれを拡張する必要があった。そこで我々は従来のハイブリッド構造を有するMZ-OSをカスケード接続する事で4x4 ポートのポート数拡大の検討を行った。素子作製方法は、用いたマスクパターンの違い以外は、上記の2x2光スイッチと同じである。2x2のMZ-OSを単位スイッチとしてこれを3段にカスケード接続した構成となっており、得られた素子のチップサイズはおよそ0.8 mm x 5 mmであり、従来報告の同様のポート規模の強誘電体のスイッチと比較するとオーダーで小さく、化合物半導体を用いたスイッチにおいてもサイズの小さな部類に属すると考えられる。作製素子は、一部の出力ポートを除いて入力光の偏光に関係なく20dB以上の消光比のスイッチング動作を示し、スイッチング電流も約6mAと低電流であった。また、挿入損失は20dB程度であり大きな値ではあったが、単体の2 x 2スイッチにおける挿入損失と比較して大きな増加がなかった事から単位スイッチ間における結合損失など、カスケード接続に由来する超過損失は大きくない可能性が見出された。同様に本結果は、素子の挿入損失の主な原因がファイバと素子端面における結合損失である事を示唆している。本実験結果より、OPSに対応可能な高速、低消費電力、低偏光依存なMZ-OSのポート数拡張性に対して、これを単位スイッ素としたカスケード接続の有用性が示された。また、今回の素子では、実は導波路の欠損などにより全ルートの光接続は達成しておらず、両端で接続されたのは2ルートに止まっている。多ポートになるほど素子サイズは大きく複雑になることから、素子作製行程中での光導波部分での1箇所での欠損でも大きな致命傷になるため、格段の注意を要することが認識された。さらに、上述のように光スイッチ単体の特性向上と同時に、多ポート化への展開のためには、作製プロセスの高精度化と大面積高均一化が不可欠である。そこで、高精度半導体プロセスを活用することとした。そのために、まず通常のミドルメサで導波路を形成した場合のスイッチ規模とサイズについて算出した。その結果、16x16ノンブロック構成が1インチサイズ以内で収まること、また全ハイメサ構造では1インチサイズでは32x32ノンブロックスイッチマトリクスが可能であることなどが分かった。現状の素子特性を鑑みた現実的な目標設定として最大で8x8規模のノンブロック光スイッチマトリクスの作製を想定し、そのために素子レイアウトの最適化及びマスク設計を行った。

  • 高度光ネットワーク用全光再生及び光機能接合集積デバイスの開発

    2009  

     View Summary

    化合物半導体及びポリマー材料を用いて、それぞれハイエンド向けの光パケットスイッチング用高速光スイッチ、ローエンド向けの加入者系/インターコネクション用光スイッチについて、一層の低消費電力動作及び、実用に向けての課題の解決の観点から検討を行った。化合物半導体においては、InAlGaAsマッハツェンダ(MZ)干渉計型光スイッチについて、実用上克服が不可欠な偏光無依存動作について、低クロストーク化のために優れた干渉効果を示すハイメサ導波路による多モード干渉(MMI)カプラを、そして電流注入時に偏光無依存な位相変調が可能なミドルメサ導波路による移相領域を組み合わせたハイブリッド導波路構造を考案し、5mAという低電流動作(消費電力として約6mW)でかつ目的に偏光依存性が極めて低いナノ秒のスイッチング動作を実現し、考案した構造の有効性を実証することが出来た。また動作波長も約30nmと光増幅器の1バンドをほぼカバーする特性が得られた。他方、ポリマーにおいては、熱特性の優れたSU-8をコア、PMGIをクラッド層に用いたMZ型光スイッチにより、導波路構造や電極位置の最適化により、これまでよりもさらに低い3.5mWというポリマーによる熱光学効果(TO)光スイッチでは最少の低消費電力を完全偏光無為損で実現した。また、同時にスイッチング時間もTO型ではかなり低い約100マイクロ秒の高速動作や初期的な安定動作も確認し、ポリマーTO光スイッチが実用的であることを示した。また製造コストの低減が可能なインプリント技術をポリマーデバイスに適用すべく、サブミクロンの回折格子を有する導波路型光フィルターを作製、基本特性を実証し、ナノインプリントのポリマー光デバイスへの適用性を示した。

  • 高度光ネットワーク用全光再生及び光機能接合集積デバイスの開発

    2008  

     View Summary

    化合物半導体、ポリマー、そしてシリコンの材料を用いて、それぞれハイエンド向けの光パケットスイッチング用高速光スイッチ、ローエンド向けの加入者系/インターコネクション用光スイッチ、そして、汎用光プラットフォーム向けとして機能波長フィルタの検討を行った。共通するキーワードは環境を考慮した低消費電力と高機能動作である。まず化合物半導体では、キャリア閉じ込めに優れていることから低電流動作が期待できるInAlGaAsを用いてマッハツェンダ(MZ)干渉計型により、3.5mAというこれまでにない低電流動作(消費電力として約4mW)を達成した。同時にキャリア注入特有の数ナノ秒という高速な光スイッチング動作を-20dB以下の低クロストークで実現した。このことにより、InAlGaAs MZ光スイッチの有効性を実証した。また化合物半導体光スイッチとして、屈折率変調機構を有するアレー導波路とスリットを導入した多モード干渉導波路カップラを用いることにより、これまでにない短い素子長での機能光スイッチが実現可能であることを提案し、解析によりその基本特性を示した。他方、ポリマーにおいては、熱特性の優れたSU-8をコア、PMGIをクラッド層に用い、やはり光スイッチとして優れた基本特性が期待できるMZ型を用いて、そして導波路としてクラッド層で埋め込んだ矩形のチャンネル導波路構造により完全偏光無依存により6mWの低消費電力動作を実現した。クロストークも-20dB以下であった。そして、シリコンにおいては、SOI基板を用いて、低損失特性に優れた中モード型導波路において、アーム導波路を最適にずらしたマイケルソン干渉計構造に回折格子による反射器、そして導波路や反射器に熱光学効果を用いた屈折率変調領域を導入することにより、波長可変バンド選択インターリーバ波長選択光スイッチを実現した。バンド幅として約4チャンネル分の3nm、チャンネル間隔が100GHzの0.8nmで、波長可変量として6nmで、偶・奇チャンネル間のスイッチング動作を実現し、転送効率の向上した波長多重通信への適用が期待される。

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Overseas Activities 【 display / non-display

  • 次世代フォトニックネットワーク用高機能光デバイスとサブシステム応用の研究

    2012.04
    -
    2012.09

    オランダ   アイントホーヘン工科大学

    イタリア   サンタアナ大学、通信情報知覚技術研究所

 

Syllabus 【 display / non-display

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