（革新）様式 1-4-2 (2022-1)

令和 4 年度研究開発成果概要書
採択番号
研究開発課題名

01301
Beyond 5G 超高速・超大容量無線通信システムのためのヘテロジニアス光電子融合技術の研究開発（１）研究開発の目的
光ファイバネットワークで使用される近赤外光データと、B5G で使用されるサブテラヘルツ～テラヘルツ無線データとのシームレスかつ低遅延・超低消費電力な相互変換機能を実現する、光－B5G無線間キャリア変換／データコンバータ技術を研究開発する。
（２）研究開発期間
令和 3 年度から令和 6 年度（4 年間）（３）受託者
国立大学法人東北大学＜代表研究者＞
パナソニックホールディングス株式会社
浜松ホトニクス株式会社
住友大阪セメント株式会社
学校法人早稲田大学（４）研究開発予算（契約額）
令和 3 年度から令和 4 年度までの総額 600 百万円（令和 4 年度 347 百万円）
※百万円未満切り上げ（５）研究開発項目と担当
研究開発項目１ 光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・システムの研究開発
1-a）光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・プロセス基盤技術の研究開発（国立大学法人東北大学）
1-b）光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・システム化技術の研究開発（パナソニック株式会社）
1-c）光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・プロセス量産化技術の研究開発（浜松ホトニクス株式会社）
研究開発項目２ B5G 無線－光ファイバ通信変換用光データ生成デバイス・システムの研究開発
２-a）B5G 用超高速低電圧駆動光変調器の研究開発（住友大阪セメント株式会社）
２-b）B5G 用ヘテロジニアス光集積回路基盤技術の研究開発（学校法人早稲田大学）（６）特許出願、外部発表等

特許出願

外部発表等

累計（件）
８３
７
７７０
１０９

国内出願
外国出願
研究論文
その他研究発表
標準化提案・採択
プレスリリース・報道
展示会
受賞・表彰
1

当該年度（件）
７３６６００１０８

（７）具体的な実施内容と成果
研究開発項目１ 光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・システムの研究開発
1-a）光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・プロセス基盤技術の研究開発（国立大学法人東北大学）
InP 系 UTC-PD 上部集積 HEMT ダブルミキサに関して、入力光サブキャリア信号高強度化、UTC-PD メサ形状・面積最適化、UTC-PD 部テロエピタキシャル層構造最適化および絶縁体格子構造導入によって、120 GHz 帯無線信号の中間周波数帯への変換に対して－30 dB 以上の変換利得向上を達成できる見込みを得た。光データ信号から中間周波数帯への周波数帯下方変換実験に関しては、測定系の構築と動作確認を完了した。UTC-PD 上部集積 HEMT ダブルミキサを用いた40 Gbps 級 120 GHz 帯無線信号の中間周波数帯への変換実験を行い、デバイスで生じる雑音の評価を進めるとともに、実験系で生じる雑音の改善が必要であるなどの課題を抽出した。
グラフェン FET ダブルミキサに関しては、課題となっていた絶縁膜積層によるグラフェンチャネルの品質劣化に対し、原子膜堆積法を用いた Al2O3 絶縁膜積層の有効性を明らかにした。また、500 GHz 帯以上のダブルミキシング実現に必須となる THz 検出感度並びに検出応答速度の評価を実施し、10 ps 級高速応答ならびに 0.3 mA/W 級高感度を同時に実現できることを実証し、高ダブルミキシング変換利得が期待できる見通しを得た。
1-b）光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・システム化技術の研究開発（パナソニックホールディングス株式会社）
UTC-PD 上部集積 HEMT への光入力方式として、デバイス基板裏面からの光入射方式を検討し、パッケージ化も含めた光結合損失のシミュレーションを実施。また実測評価に必要な技術について詳細設計を行い、評価環境の構築に取り組んだ。光結合方式のシミュレータは量産化も見越したパッケージの実装及びばらつきも含む損失計算にも対応し目標数値を 2 年前倒しで達成する結合効率-3dB の設計を見出し、パッケージ試作を行った。また評価環境は単体デバイスのダブルミキシング出力について入射光位置に対する変化も取得可能とし最適な入射方法を評価可能な環境を構築した。加えてパッケージ後の計測にも対応し、試作したモジュールについて前記設計通りの出力が得られる事を確認した。
1-c）光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・プロセス量産化技術の研究開発（浜松ホトニクス株式会社）
UTC-PD 上部集積 HEMT ダブルミキサについて、200nm ノードでのウェハプロセスを実施し、当該年度の目標である 2 インチウェハ換算でのデバイス静的特性の歩留まり 50%以上を達成した。最終目標である 3 インチウェハプロセスについても取り組みを開始し、改善すべき課題のある事もわかった。デバイスのミキシング特性については、東北大学が製作したサンプルと同等以上のスペックが得られた。
尚、上記は東北大学が適用している外注エピタキシャルウェハを用いたデバイス試作の結果であるが、内製エピタキシャルウェハを用いたデバイス試作も行い静的特性を確認した。
研究開発項目２ B5G 無線－光ファイバ通信変換用光データ生成デバイス・システムの研究開発
２-a）B5G 用超高速低電圧駆動光変調器の研究開発（住友大阪セメント株式会社）
令和３年度に開発した微細導波路形成技術を用いて、中間目標を超える特性（光帯域 67 GHz 以上、Vπ 5.2 V）の強度変調器を開発した。共同受託者（早稲田大学）に本変調器を提供し、ヘテロジニアス光トランスミッターとしての評価を共同で行い、課題を抽出した。LN 変調器のさらなる高性能化検討として、スロット構造をはじめ、光閉じ込め効果が異なる構造を各種比較検討した。
プロセスの予備検証を経て、有用性の高い構造を選定し、その構造の特性試算を行い、基本設計を完了した。
２-b）B5G 用ヘテロジニアス光集積回路基盤技術の研究開発（学校法人早稲田大学）
光源に関しては、量子ドット DFB レーザについて簡易な作製方法を提案及び作製し、100 °Cの高温環境下においてシングルモード発振に加え、FP レーザについて 120℃で CW 発振する事に成功した。化合物光増幅チップと SiPh 波長可変フィルタ、薄膜 LN 変調器を接合したヘテロジニ
2アストランスミッタにおいて 70 GHz 以上の光帯域を実証した。さらにヘテロジニアスチップの多レーン化に向けた、多段 MZI 波長フィルタの評価を完了し、良好な波長合分波特性を確認した。
またヘテロジニアスチップの高スループット受動接合装置を設計し作製に着手した。
（8）今後の研究開発計画
研究開発項目１ 光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・システムの研究開発
1-a）光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・プロセス基盤技術の研究開発（国立大学法人東北大学）
InP 系 UTC-PD 上部集積 HEMT ダブルミキサに関して、300 GHz 帯無線周波数（IF 周波数100 GHz）動作に向けて、二重回折格子ゲート構造を導入したデバイスの試作・評価を進め、変換利得－30 dB の達成に向けた課題の抽出を行う。並行して、300 GHz 帯ダブルミキシング測定系に 100 Gbaud 級 NRZ ASK 変調信号生成系を組み込むことでテストベッド構築を完了させ、動作確認を行う。
グラフェン FET ダブルミキサに関しては、我々が過去の実験で桁違いの THz 検出感度向上効果を発見している従来のドレイン端出力に代わるゲート端出力（ゲートリードアウト）を ADGGGFET に導入し、THz ダブルミキシングの高感度化に挑む。以上の結果を踏まえて、試作デバイスに対して疑似連続 THz 光源 is-TPG を用いて 500 GHz～THz 帯でのダブルミキシング測定を行い、現行素子レベルにおける変換利得・帯域特性を実験的に明らかにし、さらなる変換利得の向上へ向けた課題を明らかにする。
1-b）光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・システム化技術の研究開発（国立大学法人東北大学）
システム化技術開発において、デバイスへの 120～300 GHz 帯局部発振信号入力の結合強度及び入出力伝送経路も変換効率に大きく影響すると予想される事から、局部発振信号結合の最適なシステム構成を検討する。局部発振信号の結合については電磁界シミュレーションを行い、電磁界結合式を主に低損失の結合方式を検討する。またシステムにおける信号結合並びに伝送路系の損失の評価を行うため、120～300 GHz 帯局部発振信号結合系のパッケージ化を行い、量産化に適した方式の評価・選定を行う。
1-c）光ファイバ B5G 無線通信変換用ダブルミキシングデバイス・プロセス量産化技術の研究開発（浜松ホトニクス株式会社）
令和 4 年度に実施した試作を踏まえ、3 インチウェハプロセスで明らかとなった課題について対策を検討し解決に取り組む。その後、最終目標である 150 nm ノードでのデバイス作成および評価を実施し、200nm ノードでの結果と比較検証する。更に、エピタキシャルウェハまで含めた完全国産化を見据えた試作、及び、高周波特性まで含めたデバイス評価が効率よく可能になるよう評価系の改善も実施する。
研究開発項目２ B5G 無線－光ファイバ通信変換用光データ生成デバイス・システムの研究開発
２-a）B5G 用超高速低電圧駆動光変調器の研究開発（住友大阪セメント株式会社）
令和４年度に開発したヘテロジニアス光トランスミッターのさらなる高性能化を行う。伝送速度
100 Gbaud の性能を資する電気/光周波数応答 3 dB 帯域が 70 GHz 以上、Vπ 4 V 以下の強度変調器を開発する。
２-b）B5G 用ヘテロジニアス光集積回路基盤技術の研究開発（学校法人早稲田大学）
ヘテロジニアストランスミッタの多レーン化のために接合装置の高度化及び波長合分波器の低損失化、温度無依存化に向けた課題抽出を行う。量子ドットレーザの 100℃以上高温単一波長動作を検討し、また波長可変化に向けて最終目標達成のための課題抽出を行う。

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