光変調器と光トランジスタの超省エネ化に成功――光電融合型プロセッサチップへの応用に期待 NTT

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ナノ受光器とナノ光変調器の集積によるO-E-O変換素子の写真

NTTは2019年4月16日、世界最小の消費エネルギーで動作する光変調器と光トランジスタを開発したと発表した。この技術により、光による高度な信号処理技術をプロセッサチップに導入できることから、従来にない超低消費エネルギーで高速なコンピューティング基盤の開発が期待されるという。

CMOS電子回路技術によるコンピューティング基盤はムーアの法則に沿って高性能化が進んできたが、微細加工や集積密度の制約により電子回路による処理は速度と消費エネルギーの面で限界に近づいている。このため、光技術を従来のような長距離信号伝送だけでなく、電子回路と連携したプロセッサチップ内の信号処理部にも導入した、光電子融合による新しいコンピューティング基盤の開発が期待されている。

この新型コンピューティング基盤の開発には、レーザ光源や光変調器のような電気-光変換(E-O変換)や、受光器のような光-電気変換(O-E変換)の小型化・省エネ化が不可欠だ。また、光信号を非線形的に制御・変換できる素子を開発できれば、電子回路技術を超える高速な光信号処理が可能となる。

このため、E-O変換とO-E変換を組み合わせたO-E-O変換のような光非線形素子がこれまで研究されてきたが、一般に非線形効果を起こすためには強い光入力が必要なため、このような光非線形素子を小型化・省エネ化することは困難だった。

O-E-O変換素子をはじめとするプロセッサ向けの光電集積素子は20年以上前から研究されているが、素子のサイズや消費エネルギーが大きく、動作速度も1GHzに満たなかったため、実用技術として確立されなかった。これは、E-O/O-E変換素子の電気容量が100フェムトファラド(fF)以上と大きく、電気容量に比例する高い消費エネルギーが必要であることに加え、RC時定数(電流を流し始めてから定常電流に至るまでの応答時間)によって、電気容量に反比例して動作速度が遅くなることに起因する。

これらの課題の解決には、光電子集積の電気容量を抜本的に小さくする必要がある。今回、研究グループは、フォトニック結晶によるナノスケール光技術を用いて、電気容量と消費エネルギーが極めて低いナノ光変調器(E-O変換)を開発。また、これをナノ受光器(O-E変換)と集積させることで、O-E-O変換型の光トランジスタの開発にも成功した。

フォトニック結晶は屈折率が光の波長と同程度の長さで周期的に変調された構造をもち、通常はナノ加工技術で半導体を微細加工して作製する。フォトニック結晶は特定の波長では光の絶縁体として機能するため、強い光閉じ込めが可能だ。このフォトニック結晶技術を使えば、閉じ込め体積が1立方ミクロン以下の光ナノ共振器が作製できる。

今回、研究グループはInP半導体にフォトニック結晶光ナノ共振器を作製した。フォトニック結晶の穴配列から3つだけ穴を除去することで、長さが1.3 µm程度の小型のナノ共振器を形成される。また、異なる組成の半導体を精密に埋め込むための加工技術である埋め込みヘテロ技術を用いて、光非線形材料であるInGaAsP材料を精密にナノ共振器中に埋め込んだ。

そして、pn接合を介して電圧信号を印加して「フランツケルディッシュ効果」を起こすことで、ナノ共振器中での屈折率と光吸収率を変化させ、入射した光の強度を変調。この結果、40Gbit/sの高速な光変調動作が観測された。このときの動作エネルギーは、素子の電気容量への充放電にかかるエネルギーに大きく依存する。しかし、素子の電気容量が0.6fFと極めて小さいことに加えて、必要な電圧信号が0.5Vと低いため、わずか42aJ/bitに抑えることができた。

フォトニック結晶による超低消費エネルギーのナノ光変調器 左:素子の写真と40 Gbit/s変調動作での光出力波形 右:さまざまな光変調器の電気容量と消費エネルギーの比較

また、研究グループは埋め込みヘテロ技術によって、ナノ光変調器(E-O変換)とは異なる材料のInGaAs吸収層を埋め込み、ナノ受光器(O-E変換)を形成した。このナノ光変調器をナノ受光器と近接させて集積し、O-E-O変換素子を作製した。このO-E-O変換素子の面積は約10×15 µm2、電気容量は約2fFで、いずれも従来のO-E-O変換素子に比べて1/100以下に抑えられている。

動作実験では10Gbit/sの高速な光信号をナノ受光器に入力。生成された電流は負荷抵抗で電圧信号として変換された後、ナノ光変調器に与えることで別波長の光信号として出力される。このような高速な光非線形動作を得るためには光信号を電圧信号に変換する際に電気増幅器を用いることが多いが、同素子では高い負荷抵抗(24kΩ)のみで高い電圧信号を生成でき、増幅器を使わないことから省エネ効果がある。高い負荷抵抗を接続しても、素子の電気容量が小さいため、RC時定数を低く抑えられる。このため、10Gbit/sの高速動作が得られた。また、動作に必要な光制御エネルギーも、1ビットあたり1.6フェムトジュールまで低減された。

ナノ受光器とナノ光変調器の集積によるO-E-O変換素子の光非線形動作の動作原理

O-E-O変換動作と超低容量集積の実証 上:O-E-O変換動作における光出力波形と光制御エネルギー 下:動作速度からの電気容量の見積もり

この光波長変換では、制御光の入力強度よりも被制御光の出力強度を2倍以上に高められた。これは、光信号の入出力において信号利得が得られたことを意味しており、「光トランジスタ」に相当する。利得があることで、この光トランジスタの多段接続も可能となり、将来的には高密度な集積による光信号処理の開発が期待できる。

光信号利得の実証

今回実証されたナノ光変調器およびO-E-O変換型の光トランジスタは、従来の技術に比べて圧倒的に小型で低消費エネルギーだ。このため、これまで信号伝送に留まっていた光技術を信号処理にまで適用が期待できる。例えば、E-O変換/O-E変換の低消費電力化により、多数のCMOSチップ内で、コア間を光で緊密に接続するネットワーク処理を劇的に省エネ化できる。また、小型で信号利得をもつ光トランジスタを開発したことで、電子回路技術だけでは難しい高速な光信号処理を行うことが可能となり、新しい光電融合型のプロセッサチップの開発が期待される。

光伝送技術の短距離化と光電融合情報処理への展開

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