光ファイバー無線用アンテナ集積型化合物半導体量子井戸光変調器
Antenna-Integrated Compound Semiconductor Quantum Well Optical Modulator for Radio-Over-Fiber
Systemsした。提案された光変調器は、RoF システムにおける高効率な無線–光信号変換に大きく貢献すると期待される。
１．研究の背景と目的
第５世代移動通信システム（5G）のサービスが開始されその普及が始まっているが、第６世代システムの研究・開発も始められている。無線通信が高速化する
ほど、無線で送受信するエリアであるセルのサイズは荒川 太郎 ( Taro ARAKAWA, Ph. D.)

小さくなり、多数のセルが必要となる。それに伴い、横浜国立大学 大学院工学研究院/半導体・量子集積エレクトロニクス研究センター 教授

セルを支える基地局の数もさらに膨大となる。これら(Professor, Yokohama National University, Graduate School ofEngineering)ある。従って、基地局で高周波無線信号（RF 信号）をの基地局を結ぶネットワークの効率化は大きな課題で応用物理学会 電子情報通信学会 IEEE 他
受賞：International Conference on Solid State Devices and Materials(SSDM), Young Researcher Award (1994 年), APEX/JJAP Editorial
Contribution Award (2017 年)
研究専門分野：光エレクトロニクス 半導体工学

アナログ-デジタル変換なしに光信号に変換し、無線波形をそのまま光ファイバーネットワークで親局等へ伝送する光ファイバー無線（Radio over Fiber: RoF）技術は、次世代の高速有線・無線ネットワークシステムの発展に不可欠な技術である[1]。また、RoF 技術は、精密計測、分散ミリ波レーダー、ビッグサイエンス向け高精度基準信号の伝送など、様々な分野への応用もあらまし期待できる。

光ファイバー無線（RoF）システムにおける 60GHz

RoF 用無線信号–光信号の変換デバイスとして、無帯ミリ波帯無線信号–光信号変換デバイスとして、アレ線アンテナとニオブ酸リチウム（LN）マッハ・ツェン

イアンテナを集積した化合物半導体量子井戸光位相変ダー光干渉計を集積化した優れた光変調器がこれまで調器を提案し、初めてその動作を実証した。光変調器開発されている[2]。しかし、LN 光変調器はそのサイは 5 種類の InGaAs 量子井戸と 2 素子のアレイアンテズが数センチと大きく、また、光信号の光源である半ナで構成されている。量子井戸としては、大きな電気導体レーザーや半導体光増幅器とは材料が異なるため光学効果が得られる五層非対称結合量子井戸

集積化が難しいため、大量生産やそれによるコストの（FACQW）を用いた。FACQW は、マイクロ波を受抑制が難しい。今後のセル数の増大を考えれば、今後、信したアンテナに誘起される小さな電界で、電界誘起より小型、低消費電力で量産可能で、信頼性の高い無屈折率変化が大きくなるように設計した。設計した光機半導体の無線信号-光信号変換光集積デバイス（光変変調器を実際に作製し、その光変調特性を評価した。

調器）の必要性がますます高まると予想される。しか11 W/m2 の電力密度で 45.9 dB という低い搬送波対信し、従来の無機半導体光変調器を用いても駆動電力が号比（CSR）を得ることに成功した。これは 10.1 mrad

大きくなってしまい、実用的な強度の受信無線電界での位相シフトに相当し、2 素子のアンテナを持つ変調の直接駆動は困難で、その重要性にもかかわらずほと器としてはかなり大きな値である。FACQW の電気光んど研究・開発は進んでいない。

学係数は 36×10−11 m/V と見積もられたが、これは電本研究では、無給電、すなわちミリ波信号（60 GHz

気光学材料として広く用いられているニオブ酸リチウ帯）の受信電界のみで駆動可能な金属アンテナを集積ムの 10 倍である。さらに、60 GHz の無線搬送波を用した光ファイバー無線用アンテナ集積型化合物半導体

いた位相偏移変調（BPSK）信号のデータ伝送を実証

量子井戸光変調器を開発し、その光ファイバー無線通
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信応用可能性を実証することを目的とした。これまで、我々はアンテナ集積型量子井戸光変調器を開発してきたが[3,4]、本研究では、光ファイバー無線用光変調器用に最適化した独自の半導体ポテンシャル制御量子井
戸*1 を用い、アンテナのアレイ化による高効率化を目指した。
２．研究の成果

図２ PIN 構造における電界強度

図１ 開発したアンテナ集積型光変調器の全体図

図１に開発したアンテナ集積型光変調器の全体図を示す[5]。半絶縁性 InP 基板上に InP をベースとするPIN 構造（p 型半導体/ノンドープ半導体/n 型半導体）を有するハイメサ光導波路構造（幅 1.45μm、高さ2.1μm）が形成され、その上に金属（AlSi）アンテナが

図３

多重五層非対称結合量子井戸層における内蔵電分布

InGaAs/InAlAs MQW には、我々がこれまで開発し装荷されている。P 層、N 層に InP、光導波路のコア層である I 層に InGaAs/InAlAs 多重量子井戸（MQW）を用いており、光導波路は樹脂材料であるベンゾシクロブテン（BCB）で埋め込まれている。アンテナは、図のような導波路部に 3 μm のギャップを有する方形てきた五層非対称結合量子井戸（FACQW）[6]を用いた。これは、精密にポテンシャル構造を制御することにより、通常の量子井戸より巨大な電気光学効果*2（電界誘起屈折率変化）を生じさせる構造である。増強された受信電界がこの FACQW に印加され、屈折率変化のパッチアンテナで、60 GHz 帯マイクロ波を受信でが生じることにより光導波路を導波するレーザー光きるように設計されており、650 μm×840 μm の大き（波長 1.55 μm）が変調され、マイクロ波の信号が光さとなっている。アンテナで受信したマイクロ波によ信号に変換される。この光変調器自体は受信電界によって生じた電界がエッジの直下に強く印加される。って駆動されるため、外部電源が必要ないのが特長で

我々は、光導波路に PIN 構造を用いることで、受信電ある。FACQW は大きな電界誘起屈折率を生じさせる界の約 600 倍に増強された電界が I 層に生じることをが、その動作電界領域は狭いため、想定される動作電見いだした（図２）。

界領域に最適な設計が必要になる。特に提案するデバイス構造では、I 層内の電界が均一であるのが理想的あるが、実際には材料の不純物などにより p 型にドーピングされてしまう。そのため、空間電荷層が形成さ

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れ、I 層内に生じる電界は不均一となり、動作電界領域も一定でなくなる（図３）。そこで、I 層内の場所によっ て FACQW の 構 造 を 最 適 設 計 し て 、 ６ 種 類 のFACQW 構造を組み合わせて I 層とした（図４）。図５にコア層内で生じる電界誘起屈折率変化特性の計算値を示す。コア層（I 層）の不純物密度によるが、0～0.1kV/cm という低電界で約 2×10−5 の屈折率変化が生じることがわかる。これは、電界誘起屈折率変化としてはきわめて大きな値である。
金属アンテナは、光変調効率を高めるため、アンテナ２素子を有するアレイアンテナを用いた。アレイア

図５ンテナでは、アンテナ本体のサイズはもとより、隣接InGaAs 五層非対称結合量子井戸コア層内で生じる電界誘起屈折率変化するアンテナとの距離も重要であり、最適な値を用いないと、隣接するアンテナにおける位相変化が相殺されて光変調効率が大きく低下する。

図６ ２素子アレイアンテナ間の距離と五層非対称結合量子井戸コア層の位相変化（屈折率変化）の関係

図７

作製したデバイスの上面写真（左）および光導波路断面の電子顕微鏡像（右）図４

図６に隣接するアンテナとの間隔に対する（コア層

本研究で用いた InGaAs 五層非対称結合量子井戸構造。(a)場所により異なる５種類の構造での）電界誘起位相変化量の計算値を示す。この結果(b)量子井戸から、アンテナ間隔は 1450 μm に設定した。のポテンシャル形状（１例）設計したデバイスを作製した。InP 基板上への光導3

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波路層は分子線エピタキシー法を用いて結晶成長し、イアス電圧で搬送波成分を抑圧して側波のみとする量子井戸の層厚を精密に制御した。光導波路やアンテ(光ツートーン技術)。 この成分をフォドダイオード

ナ形状のパターニングには電子ビーム露光法を用いた。

（UTC-PD）で電気信号に変換し、増幅器で増幅し、光導波路の形成には誘導結合プラズマドライエッチン

利得 20 dB のホーンアンテナを介して測定デバイスへ

グ法、AlSi アンテナ層の製膜にはマグネトロンスパッ照射する。 ホーンアンテナへの入力電力は−3 dBm、タ法を用いた。図７に作製したデバイスの写真およびホーンアンテナからの出力電力は約 50 mW である。

走査型電子顕微鏡像を示す。ほぼ設計通りのデバイス

また、測定デバイスに対して、 波長可変レーザーから発生させたレーザー光（1550 nm、 9 dBm）を偏光が作製できていることがわかる。

コントローラーに通し、TE モードで入射させる。 測定デバイスからの出射光は光ファイバーに通され、光スペクトラムアナライザで観測され、観測光は変調によってキャリア成分の両側にサイドバンド成分を持つ。
キャリア強度とサイドバンド強度の比は、搬送波対信号比（CSR）と定義され、CSR が小さいほど変調効率が高いことを表す。
図９に作製したデバイスの変調特性の実測値および
図８

理論特性を示す。図９ (a)に 60GHz 帯の電波を照射

60 GHz 帯マイクロ波の受信・光変調実験系

した場合の光変調器からの出力の光スペクトルの一例を示す。ホーンアンテナと作製デバイス間の距離を25 mm、デバイスに入力される RF 電力密度を P ～11 W/m2 とした条件で、CSR が 45.9 dB（光波長1540 nm）と最小のサイドバンド信号が観測されている。45.9 dB の CSR は、10.1 mrad の位相シフト量に相当する。図９(b)に CSR の 60 GHz 帯無線周波数依存性を示す。 帯では約 45～55 dB の CSR が観測された。図９(c)に CSR の光波長依存性を示す。波長が長くなるにつれて CSR は減少している。これは FACQWの電界誘起屈折率変化が長波長になるほど小さくなるためである。今回作製した 2 つのアンテナ素子を持つ光変調器で得られた CSR は、ギャップの小さい矩形アンテナを使用する他の類似の変調器と比較して大きい値となっている（例えば、9 素子を持つ LN ベースのデバイス [7]で 50 dB、10 素子を持つ電気光学ポリ

図９60 GHz 帯マイクロ波の受信・光変調実験結果

マーベースのデバイス [8]で 42 dB）。したがって、こ(a)の実験結果は、提案した光変調器の優位性を示してい光スペクトル (b) 搬送波対信号比（CSR）のマイクる。推定された無線信号の照射電力と電界増強係数かロ波周波数依存性 (c) CSR の光波長依存性

ら、電気光学係数は 36×10−11 m/V と推定された。この値は、LN の約 10 倍という高い値である。

作製した光変調器の動作特性を評価した。測定系を作製した光変調器について、データ伝送・復調実験

図８ に示す。 まず、レーザー光をミリ波変調し、バも行った。測定には、製作したデバイスの出力ポート
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Systemsに長さ 1 km の光ファイバーを接続し、この光ファイられるものの、BPSK 信号で伝送されたことがわかる。

バーの波長分散を利用して、位相変調信号を強度変調信号に変換する [9]。信号変換後、エルビウム添加ファ

３．将来展望イバー増幅器（EDFA）を用いて信号を増幅する。この２素子を有するアレイアンテナ集積光変調器により信号を UTC-PD で 60GHz 帯の電気信号に復調し、光約 46 dB の CSR が得られたが、実用化のためには更スペクトラムアナライザで観測した。60 GHz 帯無線なる変調効率の向上が必要である。そのためには、ア搬送波のデータ変調は、デジタル RF 信号発生器で生ンテナ数を６素子まで増やしたい。さらに、量子井戸成した 2 GHz 帯位相偏移変調（BPSK）デジタル信号構造をさらに最適化し、電界誘起屈折率変化特性を改（シンボルレート：1 Mbps）で行った。

善する。また、円形パッチアンテナの採用により、受信マイクロ波の偏波無依存化を図る。
おわりにRoF システムにおける 60 GHz 帯ミリ波帯無線信号–光信号変換デバイスとして、アレイアンテナを集積した化合物半導体量子井戸光位相変調器を提案し、初め

図１０てその動作を実証した。量子井戸には独自開発した

信号復調実験結果 57.4 GHz（左）、65 GHz（右）FACQW を用い、マイクロ波を受信したアンテナに誘起される小さな電界で、電界誘起屈折率変化が大きくなるように設計した。設計した光変調器を実際に作製し、高い光変調効率を得ることに成功した。FACQWの電気光学係数も LN の 10 倍の値が得られた。さらに、60 GHz の無線搬送波を用いた BPSK 信号のデータ伝送を実証した。本研究で開発した光変調器は、小型で半導体レーザーとの一体集積化が容易で、更なる高周波数帯無線にも対応可能であるため、将来の高速無線通信の発展に大きく貢献するものと期待できる。
用語解説*1 量子井戸
バンドギャップの小さい半導体（量子井戸層）をバ

図１１ BPSK 信号データ伝送測定結果(a)送信信号

ンドギャップの大きい半導体（障壁層）で挟んだ構造(b)受信信号で、前者の厚さは 10nm 以下である。半導体レーザーや半導体光変調器などに用いられる。本研究では、これ57.4 GHz と 65.0 GHz の無線搬送波信号の復調スを発展させ、複数の量子井戸層と障壁層を用いてバンペクトルをそれぞれ図 10（a）と（b）に示す。最大−53ド構造を制御した量子井戸構造を用いている。

dBm の電気信号が、21 dB の信号対雑音比（SNR）で*2 電気光学効果観測された。図 11(a)は作製したデバイスに照射した送材料に電界を印加すると、その屈折率が変化する物

信データ信号、図 11(b)はデバイスと長さ 1 km のファ理効果。特に、１次電気光学効果（ポッケルス効果）イバーを通過した後に復調した受信データ信号である。
受信信号は送信信号と比較して若干のデータ分散が見は、屈折率変化量が電界に比例し、高速光変調器などに用いられる。その比例係数を電気光学定数と呼ぶ。

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Systems[8] T. Kaji, I. Morohashi, Y. Tomonari, et al., “D-ニオブ酸リチウム（LN）は大きな１次電気光学効果がband optical modulators using electrooptic生じる材料として知られている。

polymer waveguides and non-coplanar patch
antennas,” Opt. Express 31, 17112 (2023).

参考文献[1] Y. Salamin, B. Baeuerle, W. Heni et al.,[9] K.

TakabaandH.

Murata,“Microwave“Microwave plasmonic mixer in a transparent/millimeter-wave signal control using high-fibre-wireless link,” Nat. Photonics 12, 749

speed optical modulator and optical fiber(2018).

dispersion effect,” IEICE Tech. Rep, 121, 91[2] H. Murata, “Millimeter-wave-band electrooptic(2022).

modulators using antenna-coupled electrodesformicrowave

photonicapplications,”

J.

謝辞

Lightwave Technol. 38, 5485 (2020).

化合物半導体エピウエハを成長していただいた情報通[3] Y. Miyazeki and T. Arakawa, "Proposal of信研究機構・松本敦博士、無線信号受信実験を行ってInGaAs/InAlAs multiple quantum well Mach–

いただいた三重大学・村田博司教授、大田垣祐衣助教

Zehnder modulator integrated with array ofに感謝する。また、アンテナ特性解析にご協力いただplanar antennas," Jpn. J. Appl. Phys. 58,

いた関東学院大学・盧柱亨教授に感謝する。

SJJE05 (2019).
[4] Y. Miyazeki, H. Yokohashi, S. Kodama, Hiroshi

この研究は、令和２年度ＳＣＡＴ研究助成の対象としMurata, and Taro Arakawa, "InGaAs/InAlAsて採用され、令和３～５年度に実施されたものです。

multiple-quantum-well

opticalmodulator

integrated with planar antenna for millimeterwave radio-over-fiber system," Opt. Express 28,11583 (2020).
[5] G. Sekiguchi, R. Nakazawa, Y. Otagaki, H.
Murata, A. Matsumoto, and T. Arakawa,"Planar array antenna coupled InGaAs/InAlAs
multi-quantum well optical modulator for 60
GHz band millimeter wave signals," Opt.
Express 32, 18441 (2024).
[6] T. Arakawa, T. Toya, M. Ushigome, et al.,“InGaAs/InAlAs

Five-Layer

Coupled Quantum

AsymmetricWell Exhibiting Giant

Electrorefractive Index Change,” Jpn. J. Appl.
Phys. 50, 032204 (2011).
[7] Y. N. Wijayanto, H. Murata, and Y. Okamura,“ElectroopticSignal

Millimeter-Wave–LightwaveConverters

SuspendedtoGap-Embedded Patch Antennas on Low-k DielectricMaterials,”

IEEEJ.

Sel.

Top.

Quantum

Electron. 19, 3400709 (2013).
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