光変調器の最も重要な特性の 1 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さでなければなりません。100 GHz をはるかに超える遷移周波数を持つトランジスタは、すでに 90 nm シリコン技術で実証されており、最小フィーチャサイズが縮小するにつれて速度はさらに向上します [1]。しかし、現在のシリコンベースの変調器の帯域幅は制限されています。シリコンは中心対称結晶構造のため、χ(2) 非線形性を持っていません。歪みシリコンの使用により、すでに興味深い結果が得られていますが [2]、非線形性はまだ実用的なデバイスには適していません。そのため、最先端のシリコンフォトニック変調器は、依然として pn または pin 接合における自由キャリア分散に依存しています [3–5]。順方向バイアス接合では、電圧長積が VπL = 0.36 V mm と低い値を示すことが示されていますが、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ます。それでも、電気信号のプリエンファシスを利用して10 Gbit/sのデータレートが生成された[4]。代わりに逆バイアス接合を使用すると、帯域幅は約30 GHzまで増加したが[5,6]、電圧長積はVπL = 40 V mmまで上昇した。残念ながら、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必要となるため、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
近年、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変調器の一例を図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本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、光モード場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伝送され、導電性シリコンストリップによってスロットを横切って減衰する。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、数ボルトで非常に強い変調電界を生成することができ、これはほとんどの材料の誘電強度と同程度の大きさである。変調電界と光電界の両方がスロット内に集中するため、この構造は高い変調効率を有する（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]は既に示されており、40GHzまでの正弦波変調が実証されている[15,16]。しかし、低電圧高速SOH変調器を構築する際の課題は、高導電性の接続ストリップを作成することである。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Rで表される（図1(b)）。対応するRC時定数がデバイスの帯域幅を決定する[10,14,17,18]。抵抗Rを減少させるために、シリコンストリップをドーピングすることが提案されている[10,14]。ドーピングはシリコンストリップの導電率を増加させる（したがって光損失を増加させる）が、不純物散乱によって電子移動度が損なわれるため、追加の損失ペナルティを支払うことになる[10,14,19]。さらに、最近の製造試みでは、予想外に低い導電率が示された。
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投稿日時：2023年3月29日