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

超导量子计算光互连低温超低压光调制器的研制

基本信息

批准号：
21K18169
负责人：
荒川太郎
金额：
$ 16.47万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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。

为了实现下一代超级计算机的超导集成电路和超导量子计算机，将需要超高速光互连技术来连接室温CMOS电路，以执行这些量子逻辑无法实现的接口功能和存储功能单独的集成设备是必不可少的。在这项研究中，我们的目标是实现在极低温度下运行的超导LSI和在室温下运行的CMOS存储器等器件之间的超高速光学互连，目的是开发光调制器从物理特性设计到应用的综合技术。元素设计到实现。。今年，我们提出并设计了（1）化合物半导体光波导和光纤的垂直输入/输出结构，以及（2）化合物半导体量子阱单微环谐振器。关于(1)，我们寻找一种在极低温度下能抵抗光纤光轴偏移且具有高光耦合率的结构。结果发现，通过使用与基板的垂直方向成45度角形状的光栅可以获得约25％的光耦合效率。在化合物半导体的情况下，即使尝试用法线光栅进行法线入射，光耦合效率也仅为百分之几，因此可以说这表明可以显着提高光耦合效率。关于（2），我们从理论上研究了是否可以通过比马赫-曾德尔干涉系统更简单的单个微环调制器结构来降低工作电压。因此，通过利用量子阱的电场吸收效应和极低温下电场引起的折射率变化效应，我们实现了 50 mV 的极低电压（普通光调制器的 1/50），据透露，它的工作速度高达 17 GHz。