近年、電子機器の高速化・高性能化に伴い、電子回路間の信号伝達にも高速化が求められている。従来の銅配線を用いた信号伝達は、電気抵抗による発熱の問題が深刻化しているため、銅配線に代わり、電子回路間を光で高速に結ぶ技術の開発が国内外で盛んになっており、特に高速な電気・光変換素子を低コストで実現するために国内外の企業・大学で数多くの研究が行われている。
PLZT系のセラミックス材料は、バルクのセラミックス焼結体としては電圧印加による屈折率変化が極めて大きいことが知られており、光配線技術への応用展開が期待されている。ところがこのPLZTをゾル・ゲル法等の従来方法で薄膜化すると、複雑な酸化物セラミックス構造中に多くの微小欠陥を生ずるため、薄膜では電気光学特性を十分に引き出すことはできておらず、電子回路間の接続のような微細な領域への応用が課題とされていた。
当研究部門では、NECとの共同研究（NEDOナノテクノロジープログラム／ナノレベル電子セラミックス材料低温成形・集積化技術プロジェクト）の中で、産総研で開発されたエアロゾルデポジション法(以下、AD法)による常温衝撃固化現象を用い、上述の光配線技術（光インターコネクション）の要求に対応できる超高速のＥＯ変調素子の開発を進めている。AD法は、サブミクロン径の原料粉を低真空下で高速に吹き付けることで10～20nmの微結晶からなる緻密なセラミックス膜を形成する手法で、この方法により、300℃以下の常温で1µm/min以上という高速なセラミックス膜形成が可能になる。
今回の開発では、AD法で用いる原料粉の組成制御および製造プロセスを改良することにより、102pm/Vという大きな電気光学定数(注)を持つ緻密で透明な膜を製造することに成功（図１）した。この値は、従来の高速光変調器に用いられてきた電気光学薄膜材料であるニオブ酸リチウムの約6倍の値である。これにより、変調のための駆動電圧を従来の1/6に下げることや変調素子の長さを1/6にすることが可能になる。変調素子の小型化は応答速度の高速化を可能にすることから、1V以下の低電圧駆動により100GHzの高速動作を行うことのできる電気・光変換素子の実現が期待される。
（注）電気光学定数
電界印加による屈折率変化量の比例係数です。電界強度は印加電圧を距離で割ったものなので、電気光学定数の単位は距離(pm:ピコメーター)/電圧(V:ボルト)となり、電気光学効果が大きくなるとそれに反比例して印加電圧を下げることができます。また、光変調の度合いは光が通過する領域の長さと屈折率変化量に比例することから、電気光学効果が大きくなるとそれに反比例して屈折率変化領域を短くすることができます。
| （ガラス材料+強誘導体セラミックス材料+金属材料の微細構造集積化） |
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図１ ナノフォトニクス材料による超高速情報処理技術の開発
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