On-chip molecular sensing using Ge mid-infrared photonic integrated circuit

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02198
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Takenaka Mitsuru 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20451792)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 光集積回路 / 中赤外光 / ゲルマニウム / センシング / 光通信 / コンピューティング

Outline of Final Research Achievements

We have conducted research on Ge photonic integrated circuits for sensing using a Ge-on-insulator (GeOI) platform. We have successfully reduce the propagation loss of the Ge waveguide by a factor of about 10, enabling various Ge waveguide elements required for sensing. In the study of carrier-injection Ge optical modulators, the modulation efficiency was greatly improved using solid-phase doping, and optical phase modulation using the plasma dispersion effect was also successfully achieved for the first time. A defect-mediated photodetector was demonstrated on a GeOI platform, and high-sensitivity operation by avalanche amplification was demonstrated for the first time.
As a result, we have successfully established the basic technology for realizing small and highly sensitive molecular sensor chips using Ge mid-infrared photonic circuits.

Free Research Field

光集積回路

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

Geは中赤外波長全域で透明であることから、中赤外集積回路の導波路材料として期待されている。本研究を通じて、Ge導波路の導波損失の低減手法を確立したことで、低損失Ge導波路が実現された。これにより、様々な超小型導波路素子の作製が可能となった。光集積回路中の光信号の変調に用いる光変調器においても、強度変調の効率改善に加えて、位相変調にも初めて成功した。結晶欠陥準位を介した受光器の実証に成功した。これらの素子を一体集積することで、ウェアラブルデバイスに搭載可能な光センサーチップや光通信、コンピューティングへの応用が期待されることから、学術的だけでなく社会的にも意義の大きい研究成果となった。