超小型・低消費電力のfin構造内蔵Si/LiNbO3超高速光変調器の研究開発

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04294
• Research Institution: Gifu National College of Technology
• Principal Investigator: 富田 勲 岐阜工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (40611637)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 光変調器

Outline of Annual Research Achievements

毎秒１０ギガビットを超える電気信号印加に対して半導体レーザー素子とは異なり出力光信号にチャーピング生成しない優れた電気光学特性を持つＬｉＮｂＯ３を利用し、低光損失、低光雑音、変調方式無依存の高速光信号を発生するＬｉＮｂＯ３光変調器が研究開発されている。しかし、デバイス長が数センチメートルもある当該光変調器の小型化に関しては、半導体微細加工で達成される精度・加工容易性と比較すると、最近ではＬｉＮｂＯ３をドライエッチング加工した小型変調器が製作されているものの、製造プロセスでのエッチングレート、精度、軽原子（Ｌｉ）拡散やコストの課題もあり、半導体プロセスでの費用対効果・完成度・完備性・安全性には及ばない状況である。そこで、半導体基板表面をパターニングし、スロット型光導波路を製作、ドーピング電極も形成し、LｉＮｂＯ３を接合するＳｉ／LｉＮｂＯ３融合型光変調器の性能・特性研究を進展させてきた。提案構造の光変調器の静的基礎特性（印加電圧・素子長、電極性能）を解析評価し、優れた特性が得られることを明らかにした（研究成果は前回報告時までに発表済み）。今回は、産業応用的な観点からパターニング容易な構造（簡素化したｆｉｎ構造）も併用し、変調ドーピングされたスロット光導波路および電気光学係数のより大きい材料も含めたデバイス構造提案により、静的特性の保持と動的特性（変調帯域）の改善に関する評価で良好な結果を得た。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

提案構造の光変調器の基礎特性評価を行い、静的基礎特性は良好であったものの、動的基礎特性が提案構造のままであると変調帯域に制限を生じた。構造制御やドーピングコントロールでは十分な帯域拡大は得られないため、優れた静的特性を保持しつつ、帯域増大するための構造提案と他の電気光学材料の適用も検討した。これらの構造・材料を含めた評価解析に時間を要した。研究期間がコロナで延長され、延長期間に新しく得られた成果について今後発表していく予定である。

Strategy for Future Research Activity

提案したＳｉ／LｉＮｂＯ３光変調器のスロット導波路は、ギャップ（隙間）を有する高屈折率Ｓｉで構成される。スロット導波路はドーピングによる電極も兼ねる。これにより高い光閉じ込め効率と低い電圧印加という高性能性を発揮する。特に静的特性に関しては良好であったが、動的特性に関しては、光導波部分のドーピング量を低減する変調ドーピングで低光損失、低印加電圧、低抵抗性を保持しつつ、高周波動作実現を目指したものの、十分とは言い難かった。光損失を生成するｆｉｎ構造も低光損失構造へ改良されているものの、変調帯域拡大に対して制限があったため、電気光学係数の大きい他材料（ＢａＴｉＯ３）も検討した。結果として良好な動的特性を得た。ここで、本構造提案時から懸案であったスロットギャップ間の高電界による絶縁破壊に関して、防止策としてギャップ内面に絶縁膜を設置し、絶縁膜配置・膜厚の制御で動作保証し、課題完了を目指す。

Causes of Carryover

解析設計に必要なツール経費は計画額より削減できており、コロナ禍で進展した遠隔ツールで移動費・出張費も低減できている。また研究過程で発生した新たな課題解決に時間を要し、成果発表はこれからであるものの、そのための費用として今回の残額（直接経費２００千円）を次年度へ計上し、使用する予定である。