2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of cryogenic ultralow-voltage optical modulator for optical interconnection for superconducting quantum computing
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21K18169
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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) |
吉川 信行 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (70202398)
國分 泰雄 ものつくり大学, その他の部局, 特任教授 (60134839)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2025-03-31
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| Keywords | 光変調器 / 光インターコネクション / 量子井戸 / 極低温 / 超伝導集積回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
次世代スーパーコンピュータ向け超伝導集積回路や超伝導量子コンピュータの実現には、これらの量子論理集積デバイスだけでは実現できないインターフェース機能やメモリ機能を担う室温CMOS回路等との間を繋ぐ超高速光インターコネクト技術が不可欠である。本研究では、極低温で動作する超伝導LSIと室温で動作するCMOSメモリなどのデバイス間での超高速光インターコネクションのために、本研究では極低温下で従来にない超低電圧で駆動できる光変調器の物性設計、素子設計から実装までの総合技術を開発することを目的としている。極限環境を積極的に利用できるよう半導体非対称量子井戸の物性設計とマイクロリング装荷マッハ・ツェンダー型光変調器を最適設計して、mV レベルの超低電圧動作を目指す。
初年度は、極低温での高速動作を目指し、量子井戸構造の設計と極低温測定系の構築を行った。量子井戸構造については、低電圧動作と高速動作を両立するため、より有効質量が小さく、高速動作に有利な電子の波動関数制御による大きな電界有機屈折率変化特性を得られる結合量子井戸構造を設計、最適化した。その結果、正孔の波動関数分布の変化を用いた従来の量子井戸構造と同等の低電圧動作が可能である構造を見いだした。極低温測定系の構築については、液体ヘリウムディュワー内で光ファイバとデバイスを接続できる専用の測定治具を製作した。併せて、光バファイバによる垂直入射を実現するグレーティングカプラの設計、試作を行い、グレーティングカプラの作製技術をほぼ確立できた。
以上の成果から、次年度の光変調器の動作実証の準備が整った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
量子井戸構造の設計、光変調器作製技術、極低温環境測定系の確立を行った。測定、特性評価に関しては、まだ実際の測定に至っていないため、やや遅れているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
第２～３年度にかけて、前年度に構築した測定系での極低温下の光導波測定を試み、問題なく測定できることを確認する。次に、光変調素子の設計と試作、評価を行う。初年度に設計した五層非対称結合量子井戸構造をコア層に有するマイクロリング共振器装荷マッハ・ツェンダー変調器の設計と試作を行う。また、試作した光変調器と、極低温環境に耐えうる光ファイバーとの接続技術を開発し、それを用いて極低温での光変調動作の実証、評価を行う。評価結果を素子設計にフィードバックし、電圧動作の更なる低減を図る。
第３～４年度は、超伝導回路への実装と光インターコネクションの実証を行う。実際の超伝導集積回路の電圧出力を光変調器に入力し、その光変調動作を実証、評価を行う。
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| Causes of Carryover |
新型コロナの影響等で、デバイス作製を進めるために使用していた東京大学武田先端知スーパークリーンルームでの使用制限が行われ、実験が予定通り進まなかった。そのため、デバイス特性評価に必要な波長可変レーザ等の購入を見送った。次年度改めて、デバイス作製を進めるとともに、波長可変レーザ等の購入を検討する。
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