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

• 研究課題/領域番号: 18K04294
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
• 研究機関: 東北工業大学 (2023); 岐阜工業高等専門学校 (2018-2022)
• 研究代表者: 富田 勲 東北工業大学, 工学部, 教授 (40611637)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2019年度: 260千円 (直接経費: 200千円、間接経費: 60千円); 2018年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
• キーワード: 強誘電体 / 半導体 / スロット導波路 / 電気光学効果 / 光変調器 / 光工学 / シリコン導波路 / 導波特性 / シリコンスロット導波路 / エバネッセント光 / 光変調性能 / 高電界 / 光情報通信 / 光エレクトロニクス

研究成果の概要

技術確立された半導体微細加工でSiスロット導波路を形成し、不純物ドーピングで電極化後、LiNbO3またはBaTiO3を接合したSiスロット導波路型光変調器の出力特性を研究した。光閉じ込め効率、スロット電界強度分布、電界光変調効率などの静的特性を解析評価し、電極化構造で差異はあるものの、特性は良好であった。ドーピングされたスロット電極の高電界で従来と同性能を保持しつつ、変調器小型化が可能となった。高周波変調時の出力限界は、電気光学係数のより大きいBaTiO3を導入して改善した。スロットギャップ高電界による絶縁破壊はギャップ内面の絶縁膜厚制御で防止して動的特性を保持した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

10 Gbpsを超える電気信号印加に対して波長チャーピングを生じない優れた出力特性のLiNbO3変調器は、信頼性が高く、広く普及している。しかし、変調器小型化では、LiNbO3の加工が容易でなく、半導体微細加工と比較すると、エッチングレート、精度、軽原子拡散やコストの課題があった。そこで、SOI基板上のSiをスロット導波路に加工後、不純物ドーピングで電極化、無加工のLiNbO3またはBaTiO3を接合した小型スロット導波路型変調器を研究し、良好な静的・動的特性を得たことは、当該変調器の光通信システムへの導入で、システム・コンパクト化と省電力化に貢献すると考える。

研究成果

• [国際共同研究] University of Southampton(英国)
• [国際共同研究] University of Southampton(英国)
• [国際共同研究] University of Southampton(英国)
• [国際共同研究] University of Southampton(英国)
• [雑誌論文] Si photonic waveguides with broken symmetries: applications from modulators to quantum simulations (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinichi Saito, Isao Tomita, Moise Sotto, Kapil Debnath, James Byers, Abdelrahman Z. Al-Attili, Daniel Burt, Muhammad K. Husain, Hideo Arimoto, Kouta Ibukuro, Martin Charlton, David J. Thomson, Weiwei Zhang, Bigeng Chen, Frederic Y. Gardes, Graham T. Reed and Harvey N. Rutt
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 59 号: SO ページ: SO0801-SO0801
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ab85ad
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] LiNbO3/Si-hybrid slot-waveguide electrooptic modulator designs for 1550 nm (2021)
  • 著者名/発表者名: T. M. Mercier, Martin D. B. Charlton, and I. Tomita
  • 学会等名: The 26th Micro-Optics Conference (MOC2021), Shizuoka, Japan, 26-29 Sep. No. PO-9 (2021) [online]
  • 国際学会
• [学会発表] Novel Si photonic waveguides and applications to optical modulators (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Saito, M. Sotto, K. Debnath, J. Byers, A. Z. Al-Attili, I. Tomita, D. Burt, M. K. Husain, K. Ibukuro, D. J. Thomson, W. Zhang, B. Chen., F. Y. Gardes, G. T. Reed, and H. N. Rutt
  • 学会等名: The 24th Micro-Optics Conference (MOC2019), Toyama, Japan, 17-20 Nov., 2019, Paper No. C-5
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] LiNb03/Si-Hybrid Slot-Waveguide Electro-Optic Modulators (2018)
  • 著者名/発表者名: I. Tomita, K. Debnath, K. lbukuro, M. K. Husain, J. Byers, Z. Zhang, S. Saito
  • 学会等名: The 15th International Conference on Group IV Photonics
  • 国際学会