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» 2018年07月03日 11時30分 公開

福田昭のデバイス通信(152) imecが語る最新のシリコンフォトニクス技術(12):光変調器の試作例(マッハツェンダ変調器とリング変調器) (1/2)

「マッハツェンダ変調器(MZ変調器)」と「リング変調器」の試作例を取り上げ、構造と性能を紹介する。

[福田昭,EE Times Japan]

シリコン半導体のマッハツェンダ変調器とその性能

 半導体デバイス技術に関する国際会議「IEDM」では、カンファレンスの前々日に「チュートリアル(Tutorial)」と呼ぶ技術セミナーを開催している。2017年12月に開催されたIEDMでは、6件のチュートリアルが開催された。

 その中から、シリコンフォトニクスに関する講座「Silicon Photonics for Next-Generation Optical Interconnects(次世代光接続に向けたシリコンフォトニクス)」が興味深かったので、その概要をシリーズでお届けしている。講演者は、ベルギーの研究開発機関imecのJoris Van Campenhout氏である。

 なお講演の内容だけでは説明が不十分なところがあるので、本シリーズでは読者の理解を助けるために、講演の内容を適宜、補足している。あらかじめご了承されたい。

 前回は、シリコンフォトニクスの代表的な光変調器である「マッハツェンダ変調器(MZ変調器)」と「リング変調器」の基本原理である、シリコン半導体中のキャリア密度によって屈折率が変わる様子と光導波路への応用を解説した。今回は、「マッハツェンダ変調器(MZ変調器)」と「リング変調器」の試作例から、実際の構造と性能をご紹介する。

 「マッハツェンダ変調器(MZ変調器)」では、シリコン光導波路中を伝搬する光ビームを2本の光導波路に分岐させ、位相差を与えてから合流させる。分岐した2本のシリコン光導波路にはpn接合が形成されており、pn接合にバイアス電圧を加えることによって分岐した光導波路の屈折率を変更し、光ビームの位相を変える。

 例えば、1本の光導波路にだけ、光ビームに180度の位相差を与える。すると、合流地点で2本の光ビームが干渉して打ち消し合い、光信号の強度が理想的にはゼロになる。あるいは、位相差を与えずに合流させる。すると同じ位相の2本の光ビームが重なって光信号の強度が高まる。すなわち位相差の違いによって光信号の強度を変調できる。

 分岐した2本の光導波路は、pn接合にバイアスを与えないときは、設計上は光路長(屈折率×物理的な長さ)が完全に一致する。しかし実際の製造では、寸法のばらつきにより、わずかに光路長がずれる。このずれを修正するとともに、温度による屈折率の変化をキャンセルするために、シリコン光導波路には温度調整用のヒーターが追加される。このヒーターは、pn接合に加えるバイアス電圧の微調整にも使う。

マッハツェンダ変調器(MZ変調器)の概要。左は平面図(レイアウト図)。光導波路の長さは約1.5mm。右上は設計仕様。右下(左)は試作品の変調帯域幅(S21)を測定した結果。右下(右)は試作品によってNRZ信号を56Gビット/秒(bps)と高い速度で変調したときの信号波形(アイパターン)。出典:imec(クリックで拡大)

 このようにして試作したマッハツェンダ変調器の設計仕様と性能の一例を示そう。変調器の寸法(長さ)は約1.5mm、光ビームの波長は1550nm、光変調の帯域幅は27GHz、180度の位相差を与えるのに必要な電圧(半波長電圧)は約11Vである。試作したマッハツェンダ変調器を動作させたところ、56Gbpsの速度でNRZ信号を変調できている。

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