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ポリマー光変調器の高効率化に成功し世界最高速の光データ伝送を更新 ~データセンターの大規模化に向けた光送信技術の応用に期待~

 九州大学と国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2020年8月24日,同大学先導物質化学研究所の横山 士吉教授らの研究グループが,電気光学ポリマーを用いた超高速光変調器を開発し,毎秒200ギガビット(Gbps)の光データ伝送に成功したと発表した.本研究は,JST戦略的国際共同研究プログラムSICORPの一環として実施され,成果は国際的学術誌Nature Communicationsにオンライン掲載された(注).

 データセンターでは,多数のコンピュータ間ので情報伝送を光ファイバー通信で行っている.光伝送規格であるイーサネットの伝送速度は年々増加の傾向にあり,現在の400Gbpsから,2025年までに800Gbps~1600Gbpsに到達すると予想されている.このため,超高速・低消費電力・低コストを兼ね備えた光通信デバイスとして,ポリマーを応用した光デバイスへの期待が高まっている.特に,電気光学(EO)ポリマーの高い電気光学変換効率と周波数応答性に着眼したポリマー光変調器の開発が世界的に盛んである.しかし,ポリマー光変調器は高温でのデバイス信頼性に課題があり,その解決は困難とされていた.

 本研究グループは,日産化学株式会社と共同で100℃以上の高温環境下でも安定動作するEOポリマーの開発に取組み,高EO効率,低誘電率,低伝搬損失,ガラス転移温度Tg=172°CのEOポリマーを開発し,デバイス信頼性を確認した.さらに,JST SICORPのもと,国際産学連携による高効率ポリマー光変調器の研究開発を進め,連携先のドイツチーム(カールスルーエ工科大学,ブァンガード オートメーション有限会社)とSi光技術を融合したSi・ポリマーハイブリッド光変調器を作製した.超薄型Siコア(40nm厚),電気光学ポリマー(1μm厚),を上下のゾルゲルSiO2クラッド(3μm厚)で挟んだ進行波型マッハツェンダー干渉計(MZI,アーム長8mm)で構成する光変調器である.EO変換係数(S21)の3dB帯域は,70GHzに達した.EOポリマーは理論的に100GHz以上の応答特性を持つことが予測されており,今後さらなる帯域拡大が期待できる.

 光データ伝送実験では,200Gbpsの信号発生に成功し,信頼性試験で100℃以上の高温時にも信号エラーがないことを確認した.さらにデバイス動作電圧は1.3Vと低く,1bit当たりの消費電力は42fJ(10-15J)と,極微小の消費電力であった.今回は,1チップでPAM-4(Pulse-Amplitude Modulation:4値パルス振幅変調)の,4つの電圧レベルのパルス信号を用いることで,200Gbpsの電気信号を発生してポリマー光変調器を駆動した.今後は4チップ並列化によって800Gbps,さらには1600Gbpsの伝送速度へ拡張することも可能である.

 本成果は,熱安定性に優れたポリマー光変調器を用いて200GbpsのPAM-4光信号を発生させて高信頼光データ伝送に成功したもので,今後データセンターへ応用され,省電力化に貢献することが期待される.

(注)Guo-Wei Lu, Jianxun Hong, Feng Qiu, Andrew M. Spring, Tsubasa Kashino, Juro Oshima, Masa-aki Ozawa, Hideyuki Nawata & Shiyoshi Yokoyama, "High-temperature-resistant silicon-polymer hybrid modulator operating at up to 200?Gbit?s?1 for energy-efficient datacentres and harsh-environment appli-cations" , Nature Communications, Vol. 11, Article number: 4224 (2020), DOI: 10.1038/s41467-020-18005-7; Published: 24 August 2020