情報通信研究機構(NICT)は10月21日、有機・シリコン融合フォトニクス技術を用いて、電気信号を光信号に置き換える電気光学変調器の小型・高性能化に成功したと発表した。
詳細は、米国応用物理学会誌「Applied Physics Letters」に掲載される予定。
スマートフォンやクラウドコンピューティングなどの普及に伴い、通信速度の向上と機器の低消費電力化、小型化が課題となっている。現在のコンピュータや情報通信システムでは、シリコンLSIが中核を担っているが、処理速度の高速化に伴い、電気配線の消費電力の増大や電気配線による信号遅延が問題となっている。このため、シリコンチップ内やチップ間の超高速な情報伝送を低消費電力・小型で実現できる光配線技術の開発が期待されている。この光配線技術のキーデバイスの1つが、電気信号を光信号に変換する電気光学変調器である。これまで、無機酸化物結晶であるニオブ酸リチウム(LN)や有機物である電気光学ポリマーを用いた電気光学変調器が実用化されているが、素子サイズが10cm程度と大きく、チップ内やチップ間における光配線には利用できない。この問題を解決するため、集積化・低コスト化に適したシリコンフォトニクス、シリコン光変調器の開発が進められているが、要求される動作速度が数十GHzと高速であり限界があった。そこで、100GHz以上の超高速動作が可能な小型・低消費電力の電気光学変調器を実現するための新技術が求められている。
研究グループでは、新たに開発した有機・シリコン融合フォトニクス技術を駆使し、シリコン1次元フォトニック結晶構造と有機電気光学(EO)ポリマーとを組み合わせることで、従来の代表的な電気光学変調器であるLN変調器に比べ、素子サイズを1/1000に小型化し、変調効率を10倍以上向上させることに成功した。
有機電気光学ポリマー材料は、高い電気光学係数と超高速応答性(100GHz以上)を有しているが、屈折率が小さいため、小型・集積化は困難であると考えられていた。今回の成果は、シリコン1次元フォトニック結晶と有機電気光学ポリマーとのハイブリッド構造を実現したことで、数百nm以下という微小領域に光を閉じ込めて伝搬させることが可能となり、これによって素子サイズの大幅な小型化を実現した。また、フォトニック結晶構造の中では、スローライトという減速した光状態を作り出すことが可能であり、この効果を利用してデバイス内の電気光学特性を増大させることで、電気信号から光信号への変換効率を高めた。
今回開発された電気光学変調器は、シンプルな構造で、既存のシリコンCMOSプロセス、シリコンフォトニクスとの整合性も高く、低コスト化、実用化に適した構造でありながら、従来のLNやシリコンCMOSフォトニクスでは、実現できない低消費電力、超小型、超高速という3つの特性を併せ持っている。これは、100GHzを超える超高速・低消費電力なオンチップ光配線、チップ間の光通信の実現につながるものとして期待されるとしている。
今回の成果は、LSIのボトルネックとなっている電気配線部を光配線に置き換える、超高速な光配線技術、光/電子融合集積回路の実現の可能性を飛躍的に高めるものとして大いに期待される。NICTでは、今回開発した有機・シリコン融合集積フォトニクス技術をさらに発展させ、電気光学デバイスの一層の高性能化を目指すとともに、安定性や信頼性の検証といった実用化に向けた取り組みを進めていくとコメントしている。