発表資料

M. Takenaka, ICTイノベーションフォーラム2014, October7, 2014
100Gbit/s超級歪SiGe光変調器
の研究開発
（112103007）
竹中
充
東京大学
大学院工学系研究科電気系工学専攻
[email protected]
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M. Takenaka, ICTイノベーションフォーラム2014, October7, 2014
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Siフォトニクス
 Strong optical confinement in SOI-based waveguides
Strong
confinement
Si (n=3.5)
SiO2 (n=1.45)
SOI substrate
Device size reduction
 High manufacturability
AWG
R < 5mm
JJAP, 40, L383, 2001.
 CMOS compatible
Ring
Bend
PTL, 16, 1328, 2004.
JJAP, 43, L673, 2004.
40Gb/s WDM
10Gb/s Ge PD 10Gb/s Modulator Transceiver
 300-mm wafer
 CMOS integration
LUXTERA
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Si光変調器の現状
T. Baehr-Jones etal, Opt Express 20, 12014-12020 (2012).
素子長が数mmと長い
Si中におけるプラズマ分散効果が小さいことが原因
e 22  N e N h 
 *  * 
n   2 2
mch 
8 c  0 n  mce
本研究課題の目的
m*ce , m*ch
n
歪SiGe中におけるプラズマ分散効果増大の実証
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歪SiGeによるプラズマ分散効果増大
Vg
200 nm
n-Si
5 nm gate oxide
0.07
high-k MOS modulator
p-Si
EOT = 1 nm
160 nm
0.065
V L [V-cm]
0.06
Si Ge0.5 QW
0.5
-0.01
SiGe QW high-k MOS modulator
EOT = 1 nm
3 nm p-SiGe QW
SiO2 BOX
-0.015
2.5
0.05

500 nm
2
0.055
500 nm
200 nm
Si
-0.005
160 nm
0.045
1.5
0.04
Enhancement factor
Effective refractive index change
-0.02
p-Si
0.035
SiO2
0
0
-2
-4
-6
Gate voltage [V]
-8
0.03
-10
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Ge mole fraction: x
• 歪SiGeを用いることで、正孔の有効質量が軽くなり、プラズマ分散効果が増大
することを理論的に予測
• Ge組成50%の歪SiGe量子井戸を用いたMOS型光変調器で0.033 Vcmの変
調効率が達成可能
M. Takenaka et al., J. Quantum Electron., 48, 8, 2012.
M. Takenaka, ICTイノベーションフォーラム2014, October7, 2014
5
キャリア注入型歪SiGe光変調器
歪SiGe
・・・0110101
600 nm
歪SiGe
正孔
電子
Si
SiO2
-30
SiGe modulator
Simulation for SiGe
Attenuation (dB/mm)
-25
-20
-15
Si modulator
Simulation for Si
-10
-5
0
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
• 歪SiGeを用いることで、プラズマ分散
効果が増大することを実験的に明らか
にした
• Siと比較して、変調効率が2倍程度にな
ることを実証
• 消費電力も1/3程度に低減
Current density (mA/mm)
Y. Kim et al., OFC2014, Scientific Reports, 4, 4683, 2014.
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Injection-current
for 20-dB attenuation (mA)
接合構造最適化による性能向上
60
55
Si, Y.Kim [1]
50
45
40
35
30
25
This work
Si, NTT [2]
Si
Si, NTT [3]
20 SiGe
SiGe, Y.Kim [1]
15
1
2
3
4
5
Distance between p+ and n+ regions (mm)
0
• 横方向接合位置をEB描画装置を用いて
最適することで、変調効率をさらに改善
• 20dB減衰に必要な電流は20 mA程度
まで低減
• 変調帯域もSiと比較して、1.5倍程度にな
ることを実証
-5
S21 [dB]
-10
-15
-20
-25
-30
Si (V =0.75V)
-35
SiGe (Vb=0.8V)
-40
0.01
b
0.1
1
10
Frequency [GHz]
Y. Kim et al., ECOC2014.
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まとめ
• 歪SiGeを用いることでプラズマ分散効果が増大することを提案
• 歪SiGe量子井戸を用いた MOS型光変調器で既報告のSi変調
器の10倍程度の高効率変更が可能であることを理論的に予測
• キャリア注入型歪SiGe光変調器において、歪SiGe中におけるプ
ラズマ分散効果増大を実証。
• 変調効率増大、消費電力低減を実証
• 高速動作にも適することを実証
高Ge組成の歪SiGeを用いることで、さらなる変調効率増大が期待。
歪SiGeを用いることで、高効率、省電力、高速な光変調器が実現
可能であることを明確にした。

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