2022 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, 学長 (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。。
今年度は、(1)化合物半導体光導波路と光ファイバーの垂直入出力構造、(2)化合物半導体量子井戸単一微小リング共振器の提案と設計を行った。(1)について、極低温での光ファイバーの光軸ずれに対して強く、光結合率も高い構造を探索した。その結果、基板鉛直方向に対し45度の角度を付けたグレーティング形を用いることで約25％の光結合効率が得られることを見いだした。化合物半導体の場合、通常のグレーティングでは垂直入射を行おうとしても数％程度の光結合効率しか得られないため、大幅に向上できることを示したといえる。(2)について、マッハ・ツェンダー干渉系よりもシンプルな単一微小リング変調器構造で動作電圧の低減ができないかを理論検討した。その結果、極低温において、量子井戸の電界吸収効果と電界誘起屈折率変化効果の両者を利用することで、50 mVという極めて低電圧（通常の光変調器の1/50）かつ17 GHzの高速で動作することを明らかにした。
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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
垂直光入出力の構造を提案、設計を行い、また、量子井戸単一微小リング変調器でも調停電圧動作が可能であることを示すことができたので、順調といえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度設計した垂直光入出力の構造を作製し、極低温下の光導波測定を試み、光軸ずれに対する耐性、結合効率の評価を行い、極低温で導波測定できることを実証する。次に、量子井戸単一微小リング変調器の試作、評価を行う。すでに設計した三重結合量子井戸構造をコア層に有するエピタキシャルウエハを分子線エピタキシー法により成長する。それに電子ビーム露光法による加工プロセスを施し、微小リング光変調器を試作する。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。
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| Causes of Carryover |
当初の想定よりもデバイス作製プロセス費用を低く抑えることができたため。少額であるため、次年度の消耗品購入費用などに充てる。
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