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有機電気光学ポリマーとシリコンを融合した超小型・高性能な「電気光学変調器」の開発に成功
[13/10/21]
提供元：共同通信PRワイヤー
提供元：共同通信PRワイヤー
2013年10月21日
独立行政法人 情報通信研究機構（NICT）
有機電気光学ポリマーとシリコンを融合した超小型・高性能な「電気光学変調器」の開発に成功
〜超高速オンチップ光配線、チップ間光通信の実現に大きく前進〜
【ポイント】
■シリコンチップ（シリコン光電子回路）上に有機電気光学ポリマーを集積化する新たな技術を開発し、電気光学変調器の飛躍的な小型・高性能化に成功
■従来の素子と比べ、1000分の1の素子サイズ、10倍の素子性能を達成
■シリコンチップ内の電気配線を超高速な光配線に置き換えることが可能となり、スパコンなどの高性能コンピュータの高速・低消費電力化や巨大化する情報通信システムの小型・高速化、省エネルギー化に貢献
独立行政法人 情報通信研究機構（以下「NICT」、理事長: 坂内 正夫）は、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大幅な小型・高性能化に成功しました。従来の素子と比べ、素子サイズを1000分の1に小型化したほか、変調効率を10倍以上向上させました。これは、シリコンチップ内やチップ間で100GHz以上の超高速信号の伝送を可能とする光配線技術の実現につながるもので、コンピュータ処理能力や情報通信速度の飛躍的な向上、巨大化する情報通信システムの小型・省エネルギー化が期待されます。
なお、本研究成果は、米国応用物理学会誌Applied Physics Letters（電子版2013年10月21日（米国時間）発行予定）に掲載されます。
【背景】
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、情報通信システムは急速に巨大化しており、通信速度の向上と機器の低消費電力化、小型化の実現が極めて重要な課題となっています。コンピュータや情報通信システムでは、シリコンLSIが中核を担っていますが、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深刻な問題となっています。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ます。この光配線技術のキーデバイスの一つが、電気信号を光信号に変換する「電気光学変調器」です。従来、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ましたが、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への利用は不可能でした。近年、そのような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ますが、動作速度が数十GHzまでであり、高速化に限界がありました。このため、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しい技術の開発が必要とされていました。
【今回の成果】
NICT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変調器と比べ、素子サイズを1000分の1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ました。
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）を持っていますが、その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きました。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することで、数百ナノメートル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ました。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つく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大幅に増大させることで、電気信号から光信号への変換効率を高めました。
今回開発した電気光学変調器は、非常にシンプルな構造で、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、決して実現できない（1）低消費電力、（2）超小型、（3）超高速という3つの特性を併せ持っています。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ます。
【今後の展望】
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可能性を飛躍的に高める新しい技術として大いに期待されます。NICTでは、今回開発した世界をリードする有機・シリコン融合集積フォトニクス技術を更に発展させ、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組を進めていきます。
＜掲載論文＞
米国応用物理学会誌 Applied Physics Letters
電子版： http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl
掲載論文名： Electro-optic polymer/silicon hybrid slow light modulator based on one-dimensional photonic crystal waveguides
独立行政法人 情報通信研究機構（NICT）
有機電気光学ポリマーとシリコンを融合した超小型・高性能な「電気光学変調器」の開発に成功
〜超高速オンチップ光配線、チップ間光通信の実現に大きく前進〜
【ポイント】
■シリコンチップ（シリコン光電子回路）上に有機電気光学ポリマーを集積化する新たな技術を開発し、電気光学変調器の飛躍的な小型・高性能化に成功
■従来の素子と比べ、1000分の1の素子サイズ、10倍の素子性能を達成
■シリコンチップ内の電気配線を超高速な光配線に置き換えることが可能となり、スパコンなどの高性能コンピュータの高速・低消費電力化や巨大化する情報通信システムの小型・高速化、省エネルギー化に貢献
独立行政法人 情報通信研究機構（以下「NICT」、理事長: 坂内 正夫）は、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大幅な小型・高性能化に成功しました。従来の素子と比べ、素子サイズを1000分の1に小型化したほか、変調効率を10倍以上向上させました。これは、シリコンチップ内やチップ間で100GHz以上の超高速信号の伝送を可能とする光配線技術の実現につながるもので、コンピュータ処理能力や情報通信速度の飛躍的な向上、巨大化する情報通信システムの小型・省エネルギー化が期待されます。
なお、本研究成果は、米国応用物理学会誌Applied Physics Letters（電子版2013年10月21日（米国時間）発行予定）に掲載されます。
【背景】
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、情報通信システムは急速に巨大化しており、通信速度の向上と機器の低消費電力化、小型化の実現が極めて重要な課題となっています。コンピュータや情報通信システムでは、シリコンLSIが中核を担っていますが、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深刻な問題となっています。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ます。この光配線技術のキーデバイスの一つが、電気信号を光信号に変換する「電気光学変調器」です。従来、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ましたが、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への利用は不可能でした。近年、そのような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ますが、動作速度が数十GHzまでであり、高速化に限界がありました。このため、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しい技術の開発が必要とされていました。
【今回の成果】
NICT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変調器と比べ、素子サイズを1000分の1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ました。
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）を持っていますが、その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きました。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することで、数百ナノメートル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ました。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つく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大幅に増大させることで、電気信号から光信号への変換効率を高めました。
今回開発した電気光学変調器は、非常にシンプルな構造で、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、決して実現できない（1）低消費電力、（2）超小型、（3）超高速という3つの特性を併せ持っています。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ます。
【今後の展望】
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可能性を飛躍的に高める新しい技術として大いに期待されます。NICTでは、今回開発した世界をリードする有機・シリコン融合集積フォトニクス技術を更に発展させ、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組を進めていきます。
＜掲載論文＞
米国応用物理学会誌 Applied Physics Letters
電子版： http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl
掲載論文名： Electro-optic polymer/silicon hybrid slow light modulator based on one-dimensional photonic crystal waveguides
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