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] 1 M. Takenaka, ICTイノベーションフォーラム2014, October7, 2014 2 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 M. Takenaka, ICTイノベーションフォーラム2014, October7, 2014 3 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 22 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 M. Takenaka, ICTイノベーションフォーラム2014, October7, 2014 4 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. M. Takenaka, ICTイノベーションフォーラム2014, October7, 2014 6 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. M. Takenaka, ICTイノベーションフォーラム2014, October7, 2014 7 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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