光変調器の最も重要な特性の一つは、変調速度または帯域幅であり、これは少なくとも利用可能な電子回路と同等の速度でなければならない。90 nmシリコン技術では、100 GHzをはるかに超える遷移周波数を持つトランジスタが既に実証されており、最小加工寸法が縮小するにつれて速度はさらに向上するだろう [1]。しかし、現在のシリコンベースの変調器の帯域幅には限界がある。シリコンは中心対称の結晶構造のため、χ(2)非線形性を持たない。歪みシリコンの使用はすでに興味深い結果をもたらしている [2] が、その非線形性により実用的なデバイスはまだ実現できていない。そのため、最先端のシリコン光変調器は依然としてpn接合またはpin接合における自由キャリア分散に依存している [3–5]。順方向バイアス接合は、電圧長さ積がVπL = 0.36 V mmと低いことが示されているが、変調速度は少数キャリアのダイナミクスによって制限される。それでも、電気信号のプリエンファシスを用いることで10Gbit/sのデータレートが実現されている[4]。逆バイアス接合を用いることで、帯域幅は約30GHzまで拡大した[5,6]が、電圧長積はVπL = 40V mmまで上昇した。しかしながら、このようなプラズマ効果位相変調器は望ましくない強度変調も生成し[7]、印加電圧に対して非線形に応答する。しかし、QAMのような高度な変調方式では、線形応答と純粋な位相変調が求められるため、電気光学効果（ポッケルス効果[8]）の利用が特に望ましい。
2. SOHアプローチ
最近、シリコン有機ハイブリッド（SOH）アプローチが提案されている [9–12]。SOH変調器の例を図1(a)に示す。これは、光場を導くスロット導波路と、光導波路を金属電極に電気的に接続する2つのシリコンストリップから構成される。電極は、光損失を避けるために光モードフィールドの外側に配置されている [13]、図1(b)。デバイスは、スロットを均一に満たす電気光学有機材料でコーティングされている。変調電圧は金属電気導波路によって運ばれ、導電性シリコンストリップによってスロット全体で減衰する。結果として生じる電界は、超高速電気光学効果によってスロット内の屈折率を変化させる。スロットの幅は100 nm程度であるため、数ボルトの電圧で、ほとんどの材料の誘電強度と同程度の大きさの非常に強い変調電界を生成することができる。この構造は、変調フィールドと光フィールドの両方がスロット内に集中しているため、高い変調効率を実現します（図 1(b) [14]）。実際、サブボルト動作の SOH 変調器の最初の実装 [11] が既に示されており、40 GHz までの正弦波変調が実証されています [15,16]。しかし、低電圧高速 SOH 変調器を構築する上での課題は、導電性の高い接続ストリップを作成することです。等価回路では、スロットはコンデンサ C、導電性ストリップは抵抗器 R で表すことができます（図 1(b)）。対応する RC 時定数がデバイスの帯域幅を決定します [10,14,17,18]。抵抗 R を減らすために、シリコンストリップをドープすることが提案されています [10,14]。ドーピングはシリコンストリップの導電性を高め（したがって光損失を増加させます）、電子移動度が不純物散乱によって低下するため、追加の損失が発生します [10,14,19]。さらに、最近の製造の試みでは、予想外に導電性が低いことが示されました。
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投稿日時: 2023年3月29日