Development of cryogenic ultralow-voltage optical modulator for optical interconnection for superconducting quantum computing

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次世代スーパーコンピュータ向け超伝導集積回路や超伝導量子コンピュータの実現には、これらの量子論理集積デバイスだけでは実現できないインターフェース機能やメモリ機能を担う室温CMOS回路等との間を繋ぐ超高速光インターコネクト技術が不可欠である。本研究では、極低温で動作する超伝導LSIと室温で動作するCMOSメモリなどのデバイス間での超高速光インターコネクションのために、本研究では極低温下で従来にない超低電圧で駆動できる光変調器の物性設計、素子設計から実装までの総合技術を開発することを目的としている。。今年度は、(1)化合物半導体光導波路と光ファイバーの垂直入出力構造、(2)化合物半導体量子井戸単一微小リング共振器の提案と設計を行った。(1)について、極低温での光ファイバーの光軸ずれに対して強く、光結合率も高い構造を探索した。その結果、基板鉛直方向に対し45度の角度を付けたグレーティング形を用いることで約25％の光結合効率が得られることを見いだした。化合物半導体の場合、通常のグレーティングでは垂直入射を行おうとしても数％程度の光結合効率しか得られないため、大幅に向上できることを示したといえる。(2)について、マッハ・ツェンダー干渉系よりもシンプルな単一微小リング変調器構造で動作電圧の低減ができないかを理論検討した。その結果、極低温において、量子井戸の電界吸収効果と電界誘起屈折率変化効果の両者を利用することで、50 mVという極めて低電圧（通常の光変調器の1/50）かつ17 GHzの高速で動作することを明らかにした。