HKUST、オンチップ光モニタリングの性能を向上させるための新しいPDを開発

January, 8, 2026, Hong Kong--香港科技大学(HKUST)工学部の研究チームは、ゲルマニウムイオン注入型シリコン導波路フォトダイオードを開発した。この新しいフォトディテクタは、高応答率、超低光学損失、最小限の暗電流を実現し、オンチップ光モニタリングの性能を大幅に向上させている。
省エネかつ超高感度のバイオセンシングシステムのコアハードウェアを提供し、プログラム可能なフォトニクスの実用的な応用を促進する。この研究成果はAdvanced Photonicsに掲載された。

光を利用して複雑な計算を行うプログラム可能なフォトニックデバイスは、統合フォトニクス研究の重要な分野として台頭している。電子を使って信号を伝送する従来の電子機器とは異なり、これらのシステムは光子を利用し、より高速な処理速度、高い帯域幅、そして高いエネルギー効率を実現している。これらの利点により、プログラマブルフォトニクスはリアルタイムディープラーニングやデータ集約型コンピューティングのような要求の高いタスクに特に適している。

オンチップパワーモニタはプログラム可能なフォトニックネットワーク構築の中核コンポーネントであり、その性能がシステムの適応調整精度、安定性、有効性を直接決定する。しかし、この目的のために設計された既存の光検出器には根本的なトレードオフがある。送信される光信号の著しい減衰を防ぐために極めて低い光吸収損失を維持し、弱い光出力を検出するために高い応答率、低い暗黒電流、最小限の消費電力が必要とされる。

これらの課題に対応するため、HKUST電子・コンピュータ工学科主任兼教授のAndrew Poon教授と、NIUのPh.D学生NIU Yueが、ゲルマニウムイオン埋め込みシリコン導波路フォトダイオードを開発した。このアプローチは、応答性と損失のバランスを取る既存のオンチップパワーモニタが直面する課題を克服する。導波路フォトダイオードは、光を閉じ込めて輸送する光導路に直接統合できる小型の光検出器である。主な目的は、導波路を通過する光の一部を従来の電子機器で測定可能な電気信号に変換すること。この変換を強化する一つの方法はイオン注入であり、イオンを照射してシリコン構造に制御された欠陥を導入するプロセスである。適切に実行されれば、これらの欠陥は純粋なシリコンにはエネルギーが低すぎる光子を吸収し、PDはより広い波長範囲の光を検出できるようになる。

これまでの試みではホウ素、リン、アルゴンイオンが使用されていた。これらの手法は様々な面で性能を向上させたが、シリコン格子に自由キャリアを導入し、光学性能を低下させた。対照的に、チームはゲルマニウムイオンの埋め込みを選んだ。ケイ素のようなグループIV元素として、ゲルマニウムは結晶構造内のシリコン原子を大量の自由キャリアを導入せずに置き換えることができる。この代替により、信号品質を損なうことなく感度を向上させることができる。

研究チームは新しい装置の性能を評価するために一連の比較実験を実施した。結果は、ゲルマニウムイオン注入フォトダイオードが、通信で用いられる1,310nm(Oバンド)と1,550nm(Cバンド)の両方で高い応答度を示した。また、非常に低い暗電流を示し、光がなくても望ましい出力が最小限で、光学吸収損失も低かった。この特徴の組み合わせにより、一次信号の流れを妨げずにフォトニック回路への統合に適している。

Andrew Poon教授は次のように話している。「われわれは他の報告されたオンチップ線形光検出器プラットフォームと結果をベンチマークした。調査結果によると、われわれのデバイスはオンチップ電力監視の主要なパフォーマンス指標で他プラットフォームを上回る性能を示した。この研究は、光ベースのコンピューティングの変革的可能性を現実に近づけ、実用的で大規模なプログラム可能なフォトニックシステムへの重要な一歩を示している。」

プログラム可能なフォトニクスでの即時利用に加え、この新しいディテクタの独自の特性は他の有望な応用への扉も開いている。同教授は、このディテクタの超低暗黒電流と低バイアス電圧が、弱い光信号の低ノイズ検出が極めて重要なエネルギー効率の高い超高感度バイオセンシングプラットフォームの理想的な候補であると付け加えた。この能力により、lab-on-a-chipシステムにおけるマイクロ流体システムとの直接統合が可能となり、バイオセンシングやlab-on-a-chip技術の将来の応用を促進する。