高品質グラフェンとシリコンフォトニクスのヘテロ集積によるTHz-光融合

通过高质量石墨烯和硅光子的异质集成实现太赫兹光融合

• 批准号: 22H01555
• 负责人: 藤方 潤一
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: The University of Tokushima
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01555/
• 关键词: テラヘルツ; グラフェンFET; メタサーフェスアンテナ; ゲルマニウム光変調器; 光電波接続; グラフェン; フランツ・ケルディッシュ効果; THz検出; シリコンフォトニクス集積回路; 光・電磁波融合

グラフェンTHz検出器に関しては、高品質h-BN上に積層したグラフェン層に対して、仕事関数の異なる金属電極層を接合することによりPN接合構造を作製するプロセスを確立した。また、バックゲート電極により電圧印加をすることにより、グラフェン層の電荷中性点を確認し、バックゲート電圧によりグラフェン層の電荷中性点付近にフェルミレベルを制御することにより、赤外光による受信動作を検証した。これにより、金属電極積層構造の最適化により、THz検出が可能なデバイス構造を実現出来ることを検証した。また、THz検出用のアンテナ構造に関しては、金属メタサーフェス構造を設計最適化することにより、高効率なTHz受信動作が実現可能なことを検証すると共に、シリコン誘電体からなるトポロジカルTHz導波路の設計検討を行い、THz波の高効率な閉じ込め構造を検証した。ゲルマニウム光変調器に関しては、0.8Vppの世界最高レベルの低電圧駆動で100Gbps動作を実証すると共に、85℃での56Gbps動作を実証した。すなわち、ゲルマニウム光変調器が低消費電力かつ高効率に電圧信号を光信号に変換可能なことを実証した。また、ゲルマニウム光変調器が高効率な光受信器として機能することを検証した。すなわち、フランツ・ケルディッシュ効果とゲルマニウム層内でのアバランシェ増倍効果を発現することに成功し、0V印加時に比較して5dB程度の高効率光受信動作を実証した。従って、THz電磁波信号を受信後、ゲルマニウム光変調器・ゲルマニウム光受信器と電気接続可能なように集積化することにより、高効率・低消費電力で遅延時間の非常に小さいTHz-光信号変換が可能であることを検証した。

A high quality THz detector is established by bonding metal electrode layers to a high quality THz detector. The charge neutral point of the electrode layer is confirmed, the charge neutral point of the electrode layer is closed, and the signal receiving action of the electrode layer is verified. The optimization of the metal electrode multilayer structure and the THz detection of the possible metal electrode multilayer structure are discussed. Design optimization of THz wave transmission structure, high efficiency THz signal reception operation, and design evaluation of THz wave transmission structure. The light modulator is capable of 100Gbps operation at 0.8 Vpp, the highest voltage in the world, and 56Gbps operation at 85℃. For example, the optical modulator has low power consumption and high efficiency, and the voltage signal and the optical signal can be converted. The light modulator has a high efficiency, and the function of the light receiver is verified. The high efficiency optical signal receiving operation of 5 dB at 0V is successfully demonstrated. After THz electromagnetic wave signals are received, THz optical modulators are detected. Optical receivers and electrical connections are possible. Integration is possible. High efficiency. Low power consumption. Very small delay time. THz optical signal conversion is possible.

项目成果

SiC 上高品質グラフェンを用いた全光型超高速光スイッチ

采用 SiC 上高质量石墨烯的全光超高速光开关

• 发表时间: 2022
• 作者: 日下 智貴;古部 昭広;片山 哲郎;岸川 博紀;大野 恭秀;永瀬 雅夫;藤方 潤一
• 通讯作者: 藤方 潤一