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光変調器を超省エネ化し,高速高効率な光トランジスタを実現 ~光電子融合型の超低消費エネルギー・高速信号処理へ前進~

 日本電信電話株式会社(NTT)と国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2019年4月16日,NTTの研究グループが,フォトニック結晶と呼ばれるナノ構造技術を用いて,世界最小の電気容量を持つ光電変換素子の集積に成功し,この技術により,世界最小の消費エネルギーで動作するナノ光変調器や,光入力信号を別の光へ変換・増幅出力させる「光トランジスタ」を実現したことを発表した.この研究成果は,英国科学誌Nature Photonicsのオンライン版で公開された(注).本研究の一部は,JST CREST「集積ナノフォトニクスによる超低レイテンシ光演算技術の研究」の支援を受けて行われた.

 シリコンLSI(大規模集積回路)電子回路技術によるコンピューティング基盤の進化は,速度と消費エネルギーの面で限界が近づいており,光技術を電子回路と連携した,光電子融合による新しいコンピューティング基盤を実現することが期待されている.その実現には,光変調器のような電気-光変換(E-O変換)や,受光器のような光-電気変換(O-E変換)を小型化・省エネ化することが必要である.この二つを組み合わせてO-E-O変換のような光非線形素子ができれば,電子回路技術を超える高速な光信号処理が可能と考えられる.しかしながら,これまで行われてきた研究開発では,非線形効果を起こすために強い光入力が必要なため,光非線形素子を小型化・省エネ化することは困難であった.原因は,E-O/O-E変換素子の電気容量が100フェムトファラド(fF:10-15F)以上と大きいことで,電気容量に比例する高い消費エネルギーが必要であった.

 研究グループは,InP半導体基板に穴を配列したフォトニック結晶(光の屈折率が波長程度の長さで周期的に変化する結晶構造)の穴3個分を除去して長さ1.3μmのナノ共振空洞を作り,そこに,固有の埋め込みヘテロ技術を用いて光非線形材料であるInGaAsPを埋め込み,ナノ共振器を形成した.共振器の側面をp型およびn型半導体で挟んで形成するpn接合に信号電圧を印加すると,ナノ共振器中で屈折率と光吸収率が変化するため,共振器を通り抜ける光の強度を変調できる.即ち,ナノ光変調器(E-O変換)である.この素子で40Gbit/sの高速な光変調動作が観測された.素子の電気容量が0.6fFと極めて小さく,必要な電圧信号が0.5Vと低いので,動作エネルギーはわずか42aJ/bit(aJ;10-18J)に抑えることができた.

 同じフォトニック結晶基板に隣り合わせに,上記ナノ光変調器と同じ手法で,ただ,ナノ共振空洞に埋め込む材料をInGaAsに変えて,これを吸収層とするナノ受光器(O-E変換)を形成した.ナノ受光器の出力を電圧として取り出し,連続光入力が供給されているナノ変調器の電圧入力端子に接続することにより,O-E-O変換素子を作製した.完成したO-E-O変換素子の面積は約10×15μm2,電気容量は約2fFであり,いずれも従来のO-E-O変換素子に比べて1/100以下である.また,光信号入力にたいして光信号出力を2倍以上に高めることができ,光トランジスタが実現したことになる.

 E-O変換/O-E変換の低消費電力化により,CMOSチップ内でコア間の光接続の劇的な省エネ化が可能となり,また,光トランジスタによる光電融合型のプロセッサチップの実現が期待できるとしている.

(注)K. Nozaki, S. Matsuo, T. Fujii, K. Takeda, A. Shinya, E. Kuramochi & M. Notomi, "Femtofarad optoelectronic integration demonstrating energy-saving signal conversion and nonlinear functions", Nature Photonics (2019), doi: 10.1038/s41566-019-0397-3; Published: 15 April 2019