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。

关于石墨烯太赫兹探测器，我们建立了一种通过将具有不同功函数的金属电极层与堆叠在高质量h-BN上的石墨烯层粘合来制造PN结结构的工艺。另外，可以通过经由背栅电极施加电压来确认石墨烯层的电荷中性点，并且可以使用背栅电压将费米能级控制在石墨烯层的电荷中性点附近以接收红外光。已验证操作。结果，我们验证了通过优化金属电极堆叠结构可以实现能够进行太赫兹探测的器件结构。针对太赫兹探测的天线结构，我们验证了通过优化金属超表面结构的设计可以实现高效的太赫兹接收操作，并设计了由硅电介质制成的拓扑太赫兹波导，并进行了研究并验证了其高效性。太赫兹波的限制结构。关于锗光调制器，我们展示了在世界最低电压驱动0.8Vpp下100Gbps的运行，以及在85℃下56Gbps的运行。换句话说，我们证明了锗光调制器可以将电压信号转换为光信号，且功耗低、效率高。我们还验证了锗光调制器可以作为高效光接收器。换句话说，我们成功地在锗层内表现了弗兰茨·凯尔迪什效应和雪崩倍增效应，并且与施加0V时相比，展示了约5dB的高效光接收操作。因此，接收太赫兹电磁波信号后，通过集成，与锗光调制器和锗光接收器电连接，可以实现高效率、低功耗、极小延迟时间的太赫兹光信号转换。我们验证了这是可能的。

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