光電融合に向けた高性能シリコン光変調器を開発 ー複雑な信号処理を減らし200Gb/sの低電力光変調を実証ー

2026-10-26 東京科学大学

東京科学大学、横浜国立大学、産業技術総合研究所などの研究チームは、光電融合に向けて、小型・低消費電力のシリコン光変調器を開発し、毎秒200ギガビット(200 Gb/s)の高速光変調を実証した。光をゆっくり伝える「スローライト」を利用したフォトニック結晶導波路に、電気光学イコライザを組み込み、従来は外部電子回路で行っていた信号波形の整形機能の一部を光変調器内で実現した。これにより、複雑なデジタル信号処理への依存を抑え、素子の小型化と省電力化を両立した。試作素子は長さ0.32 mmで、駆動電圧1.5 Vにおいて200 Gb/sの動作を達成し、1ビット当たりの駆動エネルギーは最小26フェムトジュールだった。本技術は、生成AIの普及で通信需要が増大するデータセンターにおいて、計算機間の光接続を高密度化し、消費電力を削減するコパッケージド・オプティクス(CPO)への応用が期待される。

光電融合に向けた高性能シリコン光変調器を開発 ー複雑な信号処理を減らし200Gb/sの低電力光変調を実証ー
図1. 電気光学イコライザを内蔵したスローライト光変調器。光の経路(水色)に遅延と交差を設けることで、信号波形を整形する。金色は電極を示す。(原論文の図より引用)

<関連情報>

内蔵EOイコライザーにより実現された、DSP負荷低減型200G/λ低電圧スローライトシリコン変調器 Reduced-DSP 200G/λ low-voltage slow-light silicon modulator enabled by built-in EO equalizer

Keisuke Kawahara, Tai Tsuchizawa, Noritsugu Yamamoto, Yuriko Maegami, Koji Yamada, Nobuhiko Nishiyama & Toshihiko Baba
Nature Communications  Published:22 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-78128-1

Abstract

Multi-Tb/s optical interconnects for artificial intelligence data centers necessitate high-speed, energy-efficient, and compact transceivers. However, conventional silicon Mach-Zehnder modulators are fundamentally limited by low modulation efficiency and large physical dimensions that typically extend several millimeters, requiring high-swing drivers and power-intensive digital signal processing to achieve data rates exceeding 100 Gb/s per lane. Here we show a silicon photonic crystal waveguide slow-light modulator that overcomes the bandwidth-efficiency trade-off via a built-in electro-optic equalizer. By monolithically integrating optical delay lines and crossings within segmented slow-light phase shifters, we synthesized an on-chip feedforward response that extends the 3-dB bandwidth. The fabricated modulator with a small device length of 320 µm demonstrated 140-Gb/s on-off keying operation with an energy consumption of 26 fJ/bit using drive voltages compatible with fin field-effect transistor-based complementary metal-oxide-semiconductor technology. Furthermore, four-level pulse amplitude modulation achieved 180 Gb/s without digital signal processing and 200 Gb/s with a low-complexity 11-tap digital equalizer. By reducing reliance on power-dissipating electronics, this strategy provides a potential route toward future dense multi-Tb/s co-packaged optics for energy-constrained switching systems.

0403電子応用
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