2018 Fiscal Year Annual Research Report
Ultralow-voltage optical modulator for optical interconnection of superconductor integrated circuits
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18H01897
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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, 准教授 (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 中部大学, その他の部局, 副学長 (60134839)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光変調器 / 極低温 / 微小リング共振器 / 半導体 / 超伝導 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は，極低温（4.4 K）における半導体ポテンシャル量子井戸の設計と屈折率変化特性の理論検討を行った．極低温では，エネルギーバンドギャップが変化するとともに，吸収スペクトルの形状，p型，n型ドーピング層のキャリア密度等も変化するので，それらを考慮して，より厳密な理論的特性予測と，極低温における量子井戸構造の最適化を行った．量子井戸構造に設計には，独自開発したシュレディンガー方程式解析用のシミュレータを用いた．光源である半導体レーザを集積化して同時に冷却する方式と，光源を外部も設け，光変調器のみを冷却する方式の２種類の構造について検討を行い，それぞれ構造の最適化を行った．次に，この構造を，マイクロリング共振器を有するマッハ・ツェンダー光変調器構造へ適用し場合の光変調特性の理論解析を行い，提案する光素子構造の有効性を検証する．デバイス構造の設計には，ビーム伝搬法（BPM）を用いた．その結果，動作電圧は0.6 mV，動作速度10 Gbpsが実現可能であることを見いだした．提案する光変調器は多波長同時変調動作を特長としているため，波長多重方式を用いることで，超伝導集積回路用光インターコネクションとしての速度は十分確保できると考えられる．
並行して，極低温における光学特性の測定系について検討した．紫外線硬化接着剤を用いて試料に光ファイバを固定することが可能であることを確認した．また，入出力導波路はエッジカップリング型と回折格子結合型の両者について検討した．後者のほうが，光結合効率は悪いが，入出力光ファイバの固定という観点からは有利であると判断した．
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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
今年度，ポイントとなる量子井戸構造の基本設計は終え，目標とするサブmVレベルの動作電圧を得られる可能性を示すことができたので，概ね順調に進展していると考えている．ただし，極低温での測定系について，実験的検証を行うに至らなかったので，次年度に早急に検討を進めていきたい．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の研究において，ポイントとなる量子井戸構造の基本設計は終え，目標とするサブmVレベルの動作電圧を得られる可能性を示すことができた．次年度は，今後，量子井戸導波路構造について極低温での光吸収特性などの基本特性の評価を進めていきたい．まずは，紫外線硬化接着剤を用いた入出力用光ファイバの固定と極低温（4 K）での光導波測定系を構築する．光ファイバの結合方式はエッジカップリング方式と回折格子カップリング方式を併行して検討する．これにより，単純な多重量子井戸をコア層に有する直線光導波路について，光吸収特性などの基本光物性の実験的検証を行う．また，低温におけるp型，n型半導体の電気伝導特性の評価，pn接合の動作特性の評価など，電気的特性の評価も行う．
次に，マッハ・ツェンダー干渉計および微小リング共振器構造をそれぞれ作製し，極低温での光導波測定実験を行う．有機気相成長法により作製したエピタキシャルウエハを用いて，電子ビーム露光法および塩素系誘導結合プラズマドライエッチング法によるハイメサ導波路構造を作製する．樹脂による導波路の埋め込み，上部・下部電極の形成を行い，極低温下における形状変化，劣化が生じないかを確認する．マッハ・ツェンダー干渉計については，片側アームに位相変調構造を設け，静的光変調特性動作の実証を目指す．これにより，多重量子井戸光導波路における位相変化量の評価を行う．また，微小リング共振器についても，共振特性の評価，共振波長シフト量の測定による屈折率変化量の評価を行い，量子井戸構造の設計にフィードバックする．
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