Demonstration of 240GHz ultra-fast glass/polymer optical modulator based on dielectric slot layer

• Project/Area Number: 19H00872
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
• Research Institution: Nagasaki University (2020-2023); University of Fukui (2019)
• Principal Investigator: Enami Yasufumi 長崎大学, 工学研究科, 教授 (90377474)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高村 映一郎 福井大学, 学術研究院工学系部門, 助教 (30843015)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥44,850,000 (Direct Cost: ¥34,500,000、Indirect Cost: ¥10,350,000); Fiscal Year 2022: ¥8,710,000 (Direct Cost: ¥6,700,000、Indirect Cost: ¥2,010,000); Fiscal Year 2021: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2020: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000); Fiscal Year 2019: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
• Keywords: 光変調器 / 電気光学ポリマ / 低電圧駆動 / 超高速光変調 / 高周波光変調 / ポリマ / ゾルゲルガラス / 低消費電力 / 高速光変調 / 光導波路

Outline of Research at the Start

光変調帯域幅を240GHzまで拡大しデータセンタにおいて必要とされる高速データ伝送のための高速光トランシーバモジュールに組み込み可能な300Gbaud超高速ポリマ光変調器を研究開発する。光変調帯域幅拡大のため光導波路の光波周波数に対する実効屈折率とミリ波周波数に対する実効屈折率を整合させるためTiO2等の誘電体スロット層を利用する。スロット層は導波モードが存在し得ない導波路寸法（<波長/2n）に薄膜化することにより光周波数に対する実効屈折率に影響を与えることなくミリ波に対する実効屈折率を制御し位相不整合に起因する帯域幅制限を拡大する。

Outline of Final Research Achievements

The representative fabricated an ultra-high-speed glass-polymer optical modulator using a traveling wave microstrip line traveling wave electrode for the upper electrode. We measured the 3dB attenuation optical modulation bandwidth using a 110GHz optical component analyzer. They demonstrated a world-leading bandwidth of 140GHz for an optical modulator using a dielectric waveguide. Additionally, they performed calculations and detailed designs for bandwidth expansion using TiO2 thin films.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

申請者は20年以上有機材料を用いた光デバイス研究（光変調器）を行っている。現在米国グーグル、アマゾン、マイクロソフト等のGAFAMと呼ばれる巨大IT企業は米国にデータセンタを有し、世界中のクラウド顧客のデータ管理を行っている。これらのIT企業のデータセンタ内部やデータセンタ間の通信は光ファイバ通信が主になっており、そのために電気信号を高速で光信号に変換する光デバイス（光変調器）の高速化、低消費電力が必要である。光変調器の低消費電力化のためには材料の電気光学係数が高い材料が必要であり、そのためには電気光学係数の正確な測定が必要である。申請者は新規測定法を開発し問題を解決した。