PRESS RELEASE（2024/07/16）

Beyond 5G に向けた超高速光データ伝送を加速
光ネットワークの大規模化に備える光デバイス技術のブレークスルー
ポイント① 2030 年ごろに実現する Beyond 5G(6G) (※1)社会では、光ネットワークや無線技術の格段の進歩が必要と言われています。特に光ファイバー通信の超高速化は、クラウドサービス、IoT、大容量メディア伝送を実現するためますます重要になっています。
② 本研究では、高速光信号技術の鍵となる光変調器(※2)の超高速化を目指し、170 ギガボーレート以上の信号生成能力を持つデバイスの開発に成功しました。
③ 光変調器は、高い電気光学効果(※3)を持つ強誘電体(※4)を使った光導波路で形成し、シリコン基板上でデバイス化することによって実用化に向けた社会実装への技術展開も可能にしました。
概要
2030 年ごろに普及する Beyond 5G は、フィジカル空間とサイバー空間との間で信号伝送と処理が相互に融合し、スマートシティ、遠隔医療、ロボティックスの普及などの通信技術を社会生活により一層身近なものにすると言われています。一方、これを支えるイーサネットスピードは、格段の高速化が求められるため、6G を実現する高性能なデバイスやシステムの開発は急務となっています。
光変調器は、上記の光通信トラフィックを牽引する光コンポーネンツとして最も重要なデバイスの一つであり、その動作性能の向上は光信号伝送の高速化の鍵となります。
本研究では、既存の光通信速度を大幅に超えるような超高速光変調を実現するため、電気光学効果と速度応答性に優れた強誘電体薄膜を応用した光変調器の作製に取り組みました。ペロブスカイト型金属酸化物として知られる強誘電体は、誘電性、焦電性、圧電性など様々な興味深い物理的性質を持ちます
が、適切に元素組成と結晶配列を調整した結晶体は強い電気光学効果を持つことも知られています。しかし、その結晶成長は困難であり、光学デバイスの作製に有用なシリコン基板上で結晶膜を形成するには課題がありました。
九州大学先導物質化学研究所の横山士吉教授らの研究グループは、強誘電体(PLZT)薄膜をシリコン基板上に結晶膜を形成させる方法を見出し、超高速光変調器を作製することに成功しました。光変調器は、長さ 2.5mm の小型化を可能にしたばかりでなく、既存デバイスの 10 倍以上の動作効率を示し、高速性では 170 ギガボーレート以上で変調動作することを明らかにしました。このような超高速光変調は、6Gを支える様々な光ネットワーク伝送の最先端技術や光量子コンピュータを支える光集積技術への展開も期待できます。
本成果は、令和 6 年７月２日(火)に、英国科学誌(Nature Portfolio)の「Communications Materials」に掲載されました。

研究者からひとこと：
研究チームでは、これまでに物質科学研究と融合した高性能光デバイスの研究を進めてきました。今回得られた研究成果は、これまで困難であった強誘電体薄膜をシリコン基板上に形成できたことが鍵となります。
変調器は高速性に優れているばかりでなく、小型化(2.5mm 以下)も実現しています。
PLZT 光変調器を使った高速光伝送実験【研究の背景と経緯】
光通信技術の高速化に対する要求は近年ますます加速し、イーサネットのリンクスピードは 2030 年までに毎秒 3.2 テラビットまで高まると言われています。現在、産業界では 400 ギガビットの実用化に向けた開発が進められている状況ですので、さらに 8 倍もの高速化がロードマップで記されていることになります(イーサネットアライアンス・ロードマップ、https://ethernetalliance.org/technology/ethernetroadmap/, ※5)。しかし、このような超高速光データ伝送を実現することは容易ではなく、最先端の通信技術を用いても様々な課題を克服していく必要があり、特にデバイス開発では既存技術に依存しない新材料とデバイスの開発が必要と言われています。
最先端分野では、半導体、無機結晶、ポリマーなどを使った光変調器の開発が進められており、それぞれ作製技術や物質機能に特徴を持つ性能が示されています。特に消費電力、高速性、および小型化のデバイス指標は重要であり、すべての指標で優れた性能を備えたデバイス技術が必要となります。光変調器の変調速度の能力はシンボルレート(※6)によって表され、信号伝送を多値化（並列化）することで数倍から十数倍の高い信号レートに高めることが可能となります。従って、シンボルレートの高い変調技術は高速信号伝送の鍵となります。最先端の半導体変調器や無機結晶変調器のシンボルレートは、60~80 ギガボーレートレベルまで高まっています。一方、今回開発した強誘電体変調器は、最高で 170ギガボーレートもの超高速変調を示し、伝送レートも多値信号方式を使って毎秒 300 ギガビット以上に達するなど既存の光変調器では到達が困難な高速性を実現しました。
【研究の内容と成果】
研究チームでは、これまでに光変調器の高速化に向けた研究を進めてきました。本研究で開発した
PLZT 薄膜は、ゾルゲル化学反応を使って金属酸化物を生成する化学的手法を応用しています。実験では、前駆体化合物をシリコン（SiO2/Si）基板上にスピンコートし、熱処理によって反応を完結することで一軸配向性の結晶構造を持つペロブスカイト型結晶薄膜を作製しました。得られた PLZT 薄膜の電気光学係数(※7)は、汎用的な電気光学結晶（ニオブ酸リチウム）に比べて 10 倍近い値を持ちます。薄膜の作製方法は容易であり、大型基板にも適応が可能な点も特徴的であると言えます。光変調器は、PLZT 膜中に光導波路形成することで作製しました。光ファイバー通信用の変調器は、大きく長距離通信用と短距離通信用に分けることができますが、それぞれ使用するレーザー光の波長は、1550nm と 1310nm と大きく異なります。PLZT 変調器は、これら両方の波長に対応可能となります。近年、市場拡大が進むデータセンター用のデバイス技術では、シリコン上に形成する光集積回路の高性能化が進んでいます。PLZT 変調器は、このような光集積デバイスへの適合性も高いことも特徴です。

【今後の展開】PLZT 変調器は、低電圧な変調電圧や高速動作の特徴のみならず、デバイス信頼性も優れています。
熱安定性試験では、100℃以上の高温環境でも信号生成に問題は生じませんでした。また、レーザー光に対する耐性も高く、材料劣化もないことが分かっています。このようなデバイス信頼性の確保は、基礎的な実証研究を実用的なデバイス開発に展開するための必要条件となります。すでに海外では、このような大学・研究機関から得られた研究成果の社会実装展開が急速に進んでおり、基礎研究と実用開発のギャップは狭まっています。
光変調器は、導波路内を伝搬する光波の位相を制御することで動作します。この光波の位相調整は光を使った様々なデバイス応用に有用となります。例えば、近年、量子コンピュータの関連技術として、光集積回路の開発に注目が集まっており、位相変調の重要性が指摘されています。本研究で、開発した光変調器は、光ファイバー通信で使われるレーザー光に限定せず広い波長範囲の光源にも対応できます。今後、光量子コンピュータを支える光集積技術への展開も期待できます。

図

PLZT 変調器の写真、OOK(On-Off-Keying)方式と PAM4(Four-Level Pulse-Amplitude-Modulation)方式による光変調。PAM4 では、パルス信号(4 値=2 ビット)を用いることで、伝送レートを 2 倍に増やすことができます。
【用語解説】(※1) Beyond 5G(6G)： 2030 年代に導入される次世代の情報通信インフラであり、あらゆる産業や社会活動の基盤となることが見込まれている。6G を実現するデバイス・システム技術では、5G の特徴（高速・大容量、低遅延、多数同時接続）に加えて、「超低消費電力」、「通信カバレッジの拡張性」、「自律性」、「超安全・信頼性」などの機能の実現に向けた開発が期待されている。

(※2) 光変調器：光ファイバー通信のため、高速な時間信号を生成するための変調器。光トランスミッ
タと呼ばれることもあり、光通信システムに組み込まれている。動作原理は、光の強度や位相、周波数などを電気信号で変化することで、送りたい電気信号を光信号に変換して光ファイバーにのせるためのデバイス。

(※3) 電気光学効果：物質に電界を加えることで屈折率が変化する現象。代表的な物質として、強誘電体酸化物結晶があり、光通信用では、ニオブ酸リチウム LiNbO3 の電気光学効果を応用した長距離伝送用の光変調器がある。

(※4) 強誘電体：誘電体の一種で、電場印加がなくても構成原子による電気双極子が整列しており、かつ双極子の方向が電場によって変化できる物質。代表的な物質としてチタン酸バリウム BaTiO3 (通称BTO)やチタン酸ジルコン酸鉛 Pb(Zr,Ti)O3 (通称 PZT)などがある(一般式 ABO3 を持つペロブスカイト型酸化物と呼ばれる)。本研究で用いた PLZT はチタン酸ジルコン酸鉛にランタンを混入した強誘電体であり、高い電気光学効果を持つ。

(※5) イーサネットアライアンス：米 3Com や米 Intel など 18 の企業と組織が設立した Ethernet 関連の業界団体。Ethernet に関する取りまとめを行っており、将来的な Roadmap なども提示している。
(※6) シンボルレート：変調器の単位時間に変化できるシンボル数。1 ビットの信号をそのまま伝送するときには、1 シンボル＝1 ビットである。多値変調の場合には、1 シンボル≠1 ビットである。

(※7) 電気光学係数：電気光学効果は、光が電場及び電場の影響を受けている物質と作用する時に発生する現象であり、特に物質の屈折率が電界強度の一乗に比例して変化する効果をポッケルス効果と呼ぶ。このとき電場と屈折率の比例定数が電気光学係数である。

【謝辞】
本研究の一部は、JSPS 科研費 （JP23H00188）、JST ムーンショット型研究開発事業（JPMJMS2023）、NICT Beyond5G 研究開発促進事業（No. 02101）で進める研究課題と連携し行いました。また本研究チームは、文部科学省「物質・デバイス領域共同研究拠点」と「人と知と物質で未来を創るクロスオー
バーアライアンス」事業に参画し、支援を受けています。
【論文情報】
掲載誌：Communications Materials
タイトル：Ultra-fast perovskite electro-optic modulator and multi-band transmission up to 300
Gbit s−1
著者名：Jiawei Mao, Futa Uemura, Sahar Alasvand Yazdani, Yuexin Yin, Hiromu Sato, Guo-Wei Lu &Shiyoshi Yokoyama
DOI：10.1038/s43246-024-00558-5【お問合せ先】＜研究に関すること＞
九州大学先導物質化学研究所 教授 横山 士吉（ヨコヤマ シヨシ）

T E L：092-583-7834
Mail：s_yokoyama@cm.kyushu-u.ac.jp＜報道に関すること＞
九州大学 広報課
T E L：092-802-2130 FA X：092-802-2139
Mail：koho@jimu.kyushu-u.ac.jp