Development of ultra-low power consumption semiconductor optical modulator integrated with antenna for next-generation radio-over-fiber systems
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21H01841
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
荒川 太郎 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (40293170)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村田 博司 三重大学, 工学研究科, 教授 (20239528)
國分 泰雄 ものつくり大学, その他の部局, 学長 (60134839)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
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| Keywords | 光変調器 / 光無線 / アンテナ / 量子井戸 / 光無線システム / 半導体 |
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| Outline of Research at the Start |
次世代光ファイバー無線（RoF）システム実現のキーデバイスとなる超低電界動作アンテナ集積型半導体器光変調器を開発し、動作実証する。これまで、無給電、すなわちアンテナ受信電力のみで駆動でき、かつ小型で半導体光源等との集積化が可能な半導体光変調器は実現が難しかった。そこで、これまで独自に開発してきた半導体ナノ構造をこのRoFシステムに最適化し、微小リングと呼ばれる共振器構造等を融合することで、超低電界駆動の極限を追求する。本研究により小型・低消費電力の無線信号・光信号間変換デバイスが実現でき、第６世代以降の移動体通信を始め、光と電波の境界をつなぐ基本デバイスとなることが期待できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、次世代光ファイバー無線（RoF）システム実現のキーデバイスとなる超低電界動作アンテナ集積型半導体器光変調器を開発し、動作実証することを目的としている。
今年度は、半絶縁性InP基板上にプリンテッドダイポールアンテナ集積直線導波路型位相変調器を作製し、その動作特性を評価した。成長法には有機金属気相成長法を用い、ファウンダリに作製を依頼した。次に、電子ビーム露光法および誘導結合プラズマドライエッチング法を用いて、直線導波路構造を有する位相変調器を作製し、上部にスリットアンテナを形成した。アンテナは有限要素法解析を用いて設計し、60 GHzの無線信号に強く共振するように設計した。 平面アンテナ中央部分に微小なギャップを設けており、 このギャップ直下にはpin 接合を有する五層非対称結合量子井戸光導波路が形成されている。 この構造により無線ミリ波信号受信時にその共振電界がギャップ部で増幅され、その電界が直下の導波路に垂直に印加される。その結果、FACQWの量子閉じ込めシュタルク効果により屈折率変化を生じ位相変調を実現した。
作製したデバイスの電波受信特性および位相変調特性を評価した。ミリ波信号をデバイス上部から60.0GHz無線ミリ波信号を照射し、搬送光(波長1550nm)を変調し、受信電波により光変調が実現できていることが確認された。CSR (Carrer Sideband Ratio)は約60 dBでn型InP基板を用いた先行デバイスと比較して約3 dBの特性向上が見られた。さらに、60GHz無線信号の復調実験を行い、 7dBの信号対雑音比での復調も実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
目標であった半絶縁性InP基板上デバイス作製と評価を行い、無給電による光変調を実現できたので、概ね順調に進展しているといえる。ただし、実用化のためには、更なる変調効率の向上が必要であることもわかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
更なる光変調器の変調効率の向上を目指す。量子井戸構造を動作電界領域に更に最適化する設計を行い、分子線エピタキシー法により結晶成長を行う。また、埋め込み膜の厚さ制御の向上など、作製プロセスの精度改善を行う。さらに、受信電波の電界振動方向による受信感度依存性の低減を目指し、新しい円形アンテナも導入し、位相変調器構造の特性向上を図る。
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Report
(2 results)
Research Products
(17 results)
