シリコンプラットフォーム上に高性能な光変調器を実現
～化合物半導体との融合により小型・低消費電力・低損失化に成功～

研究の背景

データトラフィックはデータセンタ内ネットワークからコアネットワークに至る広範囲の伝送距離で今後も増え続けると見込まれています。例えば移動通信での第5世代移動通信システムである「5G」の導入などによって、2020年代には、移動通信のトラフィック量は2010年と比較して、1000倍以上に増大すると予測されています[1]。このトラフィックの増大を支えるためには、バックボーンネットワークである光通信ネットワークの大容量化が必須であり、そのために光通信用デバイスの小型・高速・低消費電力化がますます重要となります。また、大量の素子が必要になることから、これまで以上に低コストで大量生産に適した技術を用いることも重要です。
　しかしながら、光通信用半導体デバイスの主たる材料であるインジウムリン（InP）系化合物半導体は基板サイズの制限などからマイクロプロセッサ^※4等に使われているシリコンと比較すると大量生産に適した材料とはいえません。そこでシリコンを用いて光デバイスを作製することが持続的な光通信技術の発展に欠かせないと考えられており、特に送信素子のキーデバイスであるマッハツェンダー光変調器^※5をシリコンフォトニクス技術で作製することが盛んに検討されています。マッハツェンダー光変調器（MZM）は、ある領域（位相変調領域）の屈折率を電気信号で変化させて、出力光の位相と強度を変調します。このときの変調効率は、変調強度を最大値から最小値へ変化させるために必要な電圧（半波長電圧^※6）と、位相変調領域長の積であらわされます。また、素子の損失が大きいとレーザーからのバイアス光を大きくすることが必要になることから、光変調器の損失も消費電力に関わる重要な性能指標です。これまでシリコン以外の材料としてはLiNbO₃（ニオブ酸リチウム）、InP系化合物半導体等で開発が行われてきました。シリコンは他の材料と比較して光を変調するには不向きな材料であり、変調効率を高くすると吸収損失が増加するというトレードオフがあります。そのため将来的なプラットフォームとして用いるには適用範囲に制限があり、このトレードオフを打破することが強く望まれていました（図1）。

研究の成果

今回、NTTでは、シリコンフォトニクス技術にInP系化合物半導体とシリコンの異種材料融合技術を適用したキャリア蓄積型のマッハツェンダー光変調器^※7を開発し、このトレードオフを打破しました（図2）。キャリア蓄積型光変調器はシリコンを用いた光変調器で広く用いられているキャリア引抜型光変調器^※6と比較すると高効率化を実現でき、これまでシリコンとポリシリコンを用いた素子が開発されています。この素子では、キャリア濃度の増加と、ポリシリコン層の吸収による光損失が課題で、従来のシリコン光変調器の限界は打破できていませんでした。そこで今回開発した光変調器では、ポリシリコンよりも変調効率が高く光損失も少ないInP系化合物半導体であるn型InGaAsP薄膜を用いることで、シリコンフォトニクス技術との親和性を保ちながら高効率・低損失化を同時に実現しました。作製したマッハツェンダー光変調器は、変調効率を表す半波長電圧と変調領域の長さの積が0.09 Vcmとなり、これはシリコンのキャリア引抜型光変調器の約10倍の高効率です。また、位相変調領域長0.25ミリメートルの素子で挿入損失1 dB（透過率約80％）の低損失化も同時に実現しており、これまでのシリコン光変調器の限界を打破することができました。また、毎秒32ギガビット（320億ビット）の変調を行い、100ギガビットイーサ^※9等に適用可能であることを確認しました（図3）。

今後の展開

シリコンフォトニクス技術の特長を生かしたマッハツェンダー光変調器の大規模集積と光フィルタの集積を行うことで、1ポートあたりの伝送容量が1テラビット^※10を超えるような送信機の実現などが期待されます。低消費電力化を同時に実現することにより、今後懸念されるデータ量の増加によるデータセンタ等の消費電力の増加を削減することも期待されます。

技術のポイント

（1）変調領域の材料選択：n型InGaAsP層の適用

n型InGaAsP層はn型シリコンと比較して有効質量が小さなため、大きな屈折率変化を得ることができます。またInP系半導体はIn、Ga、As、Pの組成比と変えることでバンドギャップ^※11を調整することが可能です。キャリア量が変化するとバンドギャップ波長に変化がおこり、結果的に屈折率の変化が起きます。バンドギャップを適切に選択することで、屈折率変化が大きく損失増加の少ない特性を得ることが可能です。

（2）素子設計：InGaAsP-シリコンの膜厚の最適化とテーパ構造の導入による低損失化（図4）

効率を大きくするためには屈折率が変化する領域と光が強く閉じ込められている領域の重なりを最大にする断面構造の設計が必要です。屈折率が変化するのはMOS界面^※12がもっとも大きく、光が半導体層から大きく漏れない範囲で薄膜化することが重要です。一方、薄膜化は素子抵抗の増大につながり、高速応答が課題になります。今回、その両方を考え、シリコン、InGaAsPの膜厚を、それぞれ110 nm、100 nmとしました。また、シリコンプラットフォーム上に作製するために、シリコンだけの導波路から損失や反射のないテーパ構造を導入しました。スムーズに位相変調領域に光を入出力するために80 μm長の2段階テーパを用いて、シリコン細線導波路と位相変調領域の間の伝搬モードを変換しました。

（3）作製技術：InGaAsP MOS界面の作製と異種材料集積（図5）

InP系半導体は良質なMOS界面を得ることが難しく、またシリコンとの異種材料集積を同時に実現することが必要なために、作製が困難であると考えられてきました。電子サイクロトロン共鳴スパッタを用いた平坦な絶縁膜の形成や、酸素プラズマを用いたシリコンとInGaAsPの絶縁膜を介した直接接合などで、この課題を解決しました。

[1]https://www.nttdocomo.co.jp/corporate/technology/rd/lecture/5g/index.html

図1：マッハツェンダー光変調器（MZM）における変調効率と損失

図2：作製した素子

図3：高速変調実験

図4：ヘテロ集積構造の最適化とテーパ構造の導入

図5：MOS界面の形成とO₂プラズマアシスト接合

用語解説

^※1シリコンフォトニクス技術
　コンピュータの演算回路などの作製に用いられているシリコンLSI作製技術を用いて、数百ナノメートル程度の大きさの光導波路に光を閉じ込める光回路を作製する技術。大口径のシリコン基板上に微細加工できることから将来の大規模光集積回路の作製の基盤技術になると考えられています。

^※2InP系化合物半導体
　インジウムとリンからなるIII-V族の化合物半導体。Ga（ガリウム）や As（ヒ素）などを適量混ぜることでレーザー、変調器、受光素子などの動作波長を調整できます。また高速な電子回路の作製にも用いられます。

^※3挿入損失
　光変調器に信号光が入射してから出射するまでの光学損失の総和

^※4マイクロプロセッサ
　コンピュータにおける演算処理を行う半導体集積チップのこと。シリコンCMOSとよばれるトランジスタ構造^※13を用いて作製されます。

^※5マッハツェンダー光変調器（Mach-Zehnder Modulator：MZM）
　光の分波器、位相変調領域を含む二本の導波路、合波器から構成されます。電気信号により位相変調領域の屈折率を変化させ、2つの光路からの位相差による干渉を利用することで、光を変調します。光強度と位相を変調できるため大容量化に適しています。

^※6半波長電圧
　マッハツェンダー光変調器の性能を示す値で、光出力強度が最大値から最小値に変化するまでに必要な電圧のこと。この間、位相が半分変化することに相当することから半波長電圧と呼ばれます。

^※7キャリア蓄積型
　電子や正孔のことをキャリアという。キャリア蓄積型光変調器ではMOS構造とよばれるシリコンを使った低消費電力な大規模集積回路の基本構造を用いている。キャリアをMOS界面に出し入れすることによって屈折率を変化させています。

^※8キャリア引抜型
　キャリア引抜型光変調器ではpn接合に電圧を印加することによってpn接合付近のキャリアを枯渇させることによって屈折率を変化させています。

^※9100ギガビットイーサ
　毎秒100ギガビット（1000億ビット）のデータを送るための伝送方式（イーサネット）の規格。毎秒25ギガビット送信できる送信機を4つ用いて100ギガビットを送る方式等があります。現在、データセンタやスーパーコンピュータの中で広く使われています。

^※101テラビット
　100ギガビットの10倍のデータ量。データ量の増大により将来的には毎秒1テラビット以上の伝送容量が必要になると考えられています。

^※11バンドギャップ
　結晶のバンド構造において電子が存在できない領域のこと。バンドギャップに相当する波長より長い波長の光は吸収されません。

^※12MOS界面、MOS構造
　MOS（Metal-Oxide-Semiconductor：金属-酸化膜-半導体）構造。マイクロプロセッサなどで用いられるシリコンCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ^※13の基本構造です。酸化膜と半導体の接している部分をMOS界面と呼びます。

^※13シリコンCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ
　低消費電力性に優れた大規模集積回路を構成する最も基本的なトランジスタ構造のこと。