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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Development of ultra-low power consumption semiconductor optical modulator integrated with antenna for next-generation radio-over-fiber systems

Research Project

Project/Area Number 21H01841
Research InstitutionYokohama National University

Principal Investigator

荒川 太郎  横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (40293170)

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)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords光変調器 / 光無線システム / アンテナ / 半導体
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基板上にアレイ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。コア層の五層非対称結合量子井戸は、本デバイスの動作電界領域を考慮して新たに設計した。エピタキシャルウエハの成長には分子線エピタキシー法を用い、情報通信研究機構に作製を依頼した。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、上部にアレイ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、五層非対称結合量子井戸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46 dBでn型InP基板を用いた先行デバイスと比較して約14 dBの大幅な特性向上を得た。さらに、60GHz無線信号の復調実験にも成功した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (15 results)

All 2024 2023

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 4 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Planar array antenna coupled InGaAs/InAlAs multi-quantum well optical modulator for 60 GHz band millimeter wave signals2024

    • Author(s)
      Gaku Sekiguchi,Ryotaro Nakazawa,Yui Otagaki,Hiroshi Murata,Atsushi, Matsumoto,Taro Arakawa
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1364/OE.525299

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Characteristics of highly sensitive hydrogen gas sensor based on Pt-SiO2/Si microring resonator2024

    • Author(s)
      Junpei Igarashi, Shinji Okazaki, Yoshiaki Nishijima, Akio Higo, and Taro Arakawa
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad4040

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Tunable Vernier Series-Coupled Microring Resonator Filters Based on InGaAs/InAlAs Multiple Quantum-Well Waveguide2023

    • Author(s)
      Zhifeng Peng and Taro Arakawa
    • Journal Title

      Photonics

      Volume: 10 Pages: 1256

    • DOI

      10.3390/photonics10111256

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effects of additive and substrate on hydrogen sensing performances of sol-gel derived platinum doped tungsten trioxide gasochromic films2023

    • Author(s)
      Naoki Yamasak, Shinji Okazaki, Yoshiaki Nishijima ,Taro Arakawa
    • Journal Title

      Thin Solid Films

      Volume: 779 Pages: 139941

    • DOI

      10.1016/j.tsf.2023.139941

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 半導体光導波路デバイスと通信・センサーへの応用2024

    • Author(s)
      荒川太郎
    • Organizer
      情報通信研究機構先端ICT デバイスラボ・コラボレーションミーティング 2024
    • Invited
  • [Presentation] Development of planar antennas integrated quantum well phase modulator for 60GHz band signals2023

    • Author(s)
      G. Sekiguchi, R. Nakazawa, S. Nakamori, T. Mori, K. Yamada, Y. Otagaki, H. Murata, K. Akahane, and T. Arakawa
    • Organizer
      URSI General Assembly and Scientific Symposium (GASS) 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High-Sensitivity Optical Sensors Based on Silicon Microring Resonators2023

    • Author(s)
      Taro Arakawa,Shinji Okazaki, Yoshiaki Nishijima, and Yuhei Ishizaka
    • Organizer
      Int'l Congress on Pure &Appl. Chemistry (ICPAC) BALI 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Tunable Vernier Series-coupled Microring Resonator Filters Based on Multiple-quantum-well Waveguide2023

    • Author(s)
      Z. Peng and T. Arakawa
    • Organizer
      Microoptics Conference 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Proposal of Ultralow-Driving-Voltage Microring Resonator Electroabsorption Modulator for Cryogenic Operation2023

    • Author(s)
      M. Aomi, Y. Kokubun, and T. Arakawa
    • Organizer
      Microoptics Conference 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Investigation of Planar Antennas for Improving Modulation Characteristics of Quantum Well Optical Phase Modulators for Radio-over-fiber System2023

    • Author(s)
      R. Nakazawa, G. Sekiguchi, and T. Arakawa
    • Organizer
      Microoptics Conference 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ultra-Low Voltage Quantum Well Optical Modulator with Double Microring Resonators Operated at Cryogenic Temperature2023

    • Author(s)
      Rei Yanagida and Taro Arakawa
    • Organizer
      International Symposium on Materials Science and Surface Technology (MSST) 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optimization method using deep learning for highly efficient design of high-order series-coupled microring resonator wavelength filters2023

    • Author(s)
      Taichi Fukuyo and Taro Arakawa
    • Organizer
      International Symposium on Materials Science and Surface Technology (MSST) 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Silicon photonic micro-ring resonators and their application to high-sensitivity sensors for chemicals in water2023

    • Author(s)
      Taro Arakawa,
    • Organizer
      Technoscape '23
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 半導体光デバイスと通信・センサーへの応用2023

    • Author(s)
      荒川太郎
    • Organizer
      ナノ科学シンポジウム2023
    • Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 光変調器、通信システム、および処理方法2023

    • Inventor(s)
      中澤遼太郎、荒川太郎
    • Industrial Property Rights Holder
      中澤遼太郎、荒川太郎
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-155610

URL: 

Published: 2024-12-25  

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