東京大学工学系研究科電気系工学専攻　中野・種村研究室

研究現況 2011/H23

　モノリシック集積された半導体光デバイス／回路は、単体素子では得られない多くの機能や高い性能が実現され得るため、高度な光通信、光情報処理・記録、光計測を行う際の切り札として期待されている。本課題では、新しいモノリシック光集積回路(光IC)の試作・開発を行うとともに、能動素子／受動素子一括集積技術を研究している。 具体的には、光回路でデジタル信号処理を可能にする全光フリップフロップを開発し、光パケットルータへの適用実験を行っている。これまでに、分布ブラッグ反射（DBR）多モード干渉計（MMI）全光フリップフロップの試作・検証を初めとして、多重量子井戸（MQW）活性層に伸張歪みを導入した偏波無依存化、電流注入による波長可変動作、マッハチェンダー干渉計（MZI）構造を用いた低消費電力・高速動作化など、特性改善を進めてきた。同時に、他光素子との一括集積技術を構築し、全光フリップフロップと半導体増幅器マッハチェンダー干渉計（SOA-MZI）全光スイッチのモノリシック集積に世界で初めて成功した。最近では、光クロックへの同期動作を可能にする新構造を提案し、原理実証に成功した。 一方、光信号の高速ルーティングを可能にするスケーラブルな集積マトリクス光スイッチの研究開発も進めている。フェーズアレイを用いた半導体光スイッチを新たに提案し、InP基板上に集積した1×5光スイッチ、低偏波依存1×8スイッチ、1×16光スイッチを相次いで実現し、広波長帯域性、高速応答性などを実証した。また、開発した光スイッチを用いて、時間分割・波長多重光パケットスイッチング実験や全光バッファ実験を行い、光ルータへの適用性を明らかにした。さらに最近では、世界最大規模となる1×100光スイッチの作製に成功し、本手法のスケーラビリティを実証した。 また、これらと並行して、マイクロマシン技術を適用した高機能光デバイスの開発も進めており，シリコン細線光導波路とNEMS/MEMSを融合した光フィルタの開発を行っている。

Monolithically integrated semiconductor optical devices and circuits are the key to advanced optical communication, optical information processing, and optical measurement applications, since they could provide complicated functions that cannot be obtained with discrete devices. More specifically, we have developed all-optical flip-flops, the essential elements for the photonic digital processing, and demonstrated in various optical packet routing experiments. Starting with the fabrication of the first multi-mode interference (MMI) all-optical flip-flop with distributed Bragg reflectors (DBRs), we have successfully achieved polarization-independent operation by introducing tensile strain into the multi-quantum-well (MQW) active layers, wavelength tuning by current injection, and low-power high-speed operation by employing Mach-Zehnder interferometer (MZI) configuration. At the same time, we have developed the fabrication technique to realize the world-first monolithic integration of an all-optical flip-flop with an all-optical switch based on semiconductor optical amplifier Mach-Zehnder interferometer (SOA-MZI). More recently, we have proposed and demonstrated a novel structure to realize optically clocked flip-flop operation. In addition, we have also been working on scalable integrated matrix optical switches that enable fast routing of optical signals. We have proposed a novel type of photonic integrated switch based on optical phased array. We have realized the first 1x5 switch, polarization-insensitive 1x8 switch, and 1×16 switch on InP substrates and demonstrated the wide operating optical bandwidth as well as fast switching response. Using these switches, we have also demonstrated optical-time-division and wavelength-division multiplexed packet switching as well as all-optical buffering experiments, showing the potential applicability to optical routers. More recently, we have succeeded in fabricating the world-first monolithically integrated 1×100 switch and demonstrated the scalability of the phased-array scheme. Concurrently, we have also been working on variable wavelength filter devices based on nano to micro-fabrication integration.

　半導体量子井戸／超格子構造のポテンシャル形状を人工的に原子層オーダで制御すると、本来半導体の持っていた光物性を大幅に改変することができる。本研究では、そのような人工光物性を利用して、半導体光変調器／光スイッチや光制御デバイスの性能革新を行うことを目的としている。特に、将来の超高速全光スイッチに向けて、窒化物ヘテロ構造におけるサブバンド間遷移(ISBT)の研究を行っており、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)と分子線エピタキシーとのハイブリッド成長により、これまでで最小の光パルスエネルギーによる1.55μm帯の全光スイッチングを実現した。また、パルスインジェクション法を用いてAlN/GaN多重量子井戸を低温MOCVD成長することで、世界で初めて、全MOCVDによる1.55μm帯ISBT量子井戸を実現し、過飽和吸収特性の測定に成功した。同時に、ウェット／ドライハイブリッドエッチング技術によるAlNリッジ導波路の伝搬損失低減手法を提案し、また、新規光スポットサイズ変換器を開発し、スイッチングパワーの更なる低減化に向けて研究を進めている。

By artificial manipulation of potential profiles in semiconductor quantum well and super lattice structures with accuracy of atomic order, one may significantly alter inherent optical properties of semiconductors. The purpose of this research is to bring about innovation in semiconductor optical modulators/switches and light-controlling devices by making use of such artificial optical properties. More specifically, our research focuses on intersubband transition (ISBT) in Nitride-based heterostructures for the future ultrafast all-optical switches. All-optical switching at 1.55-μm wavelength has been achieved with the minimum optical pulse energy to date by utilizing hybrid growth of metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) and molecular beam epitaxy. Moreover, we have recently realized, for the first time in the world, all-MOCVD-grown 1.55-μm ISBT multi-quantum-well (MQW) structures by using the pulse-injection MOCVD technique for low-temperature growth of AlN/GaN MQWs and demonstrated its saturable absorptive characteristic at 1.55-μm wavelength. At the same time, we have also developed a wet/dry hybrid etching technology to reduce the propagation loss of AlN ridge waveguides as well as novel type of spot-size converter to achieve further reduction of switching power.

　次世代光通信・光情報処理を担う小型高性能光源や光インターコネクション技術の開発を目的に研究を行っている。これまで世界に先駆けて行ってきた利得結合(GC)分布帰還型(DFB)半導体レーザ、低密度WDM（CWDM）用波長多重モノリシック集積レーザアレイを始めとし、各種高機能レーザや光配線技術を開発している。特に、強磁性金属と半導体光アンプから形成される集積化可能な導波路型光アイソレータの提案と試作実証を進めている。これまで、TE/TM偏波モード導波路型光アイソレータの開発を始めとして、DFBレーザとTE モード光アイソレータのモノリシック集積化など、顕著な成果を挙げてきた。さらに、リングレーザに光アイソレータを集積することで、外部磁場により発振方向を制御することに世界で初めて成功した。最近では、非対称導波路構造を持つ非相反偏波コンバータを新たに提案し、デバイスの試作・原理検証に成功した。 一方、将来の光インターコネクション技術の確立に向けて、レーザ等の光能動素子をシリコンプラットフォームにヘテロ集積する研究を新たに開始した。シリコン細線導波路上にInP能動素子を貼り付けた構造を新たに提案し、酸素プラズマ処理による直接接合デバイスの試作を行っている。最近では、シリンコン層からの電流注入によりレーザ発振させることに初めて成功し、シリコンチップ上発光素子としての可能性を明らかにした。さらに、シリコン光インターコネクションのための3次元スポットサイズコンバータをマイクロマシン技術を用いて作製し、LSIプロセスとの融合性を実証した。

For the next-generation optical communication and optical information processing applications, we have been developing compact and high-performance light sources as well as optical interconnecting devices. Starting with the gain-coupled (GC) distributed feedback (DFB) semiconductor laser and the wavelength-multiplexed monolithically integrated laser array for coarse WDM applications, we have been working on various types of highly functional lasers and optical interconnection devices. Proposal and fabrication of an integratable waveguide optical isolator consisting of a ferromagnetic metal and a semiconductor optical amplifier have been carried out in recent years, resulting in significant achievements, such as the monolithic integration of a DFB laser with TE-mode optical isolator, a TM-mode optical isolator with epitaxially grown MnAs or MnSb ferromagnetic layer, and the world-first ring laser with integrated isolator, whose lasing direction could be controlled by an external magnetic field. More recently, we have proposed a novel type of nonreciprocal polarization converter with asymmetric waveguide structure and demonstrated its operation experimentally. In addition, we have also launched a research on hetero-integration of lasers and active devices on silicon platform for the future optical interconnection. We have proposed a novel structure of bonding InP active devices onto silicon wire waveguides and demonstrated the device fabrication using an oxygen-plasma-assisted direct bonding technique. More recently, we have achieved lasing by injecting current from the silicon layer, for the first time. These results support the promising potentials of the proposed device as a light source on a silicon chip. Furthermore, we have proposed and developed Si based three dimensional spot size convertor for optical interconnect and LSI integration.

　将来の低炭素サステイナブル社会の構築に向けて、40％以上のエネルギー変換効率を持つポストシリコン太陽電池の実現が期待されている。本課題では、従来からの化合物半導体タンデム太陽電池に、多重量子井戸（MQW）構造を導入した新型太陽電池の研究を進めている。MQW構造を用いることで、格子整合条件を保ちながら歪みを緩和し、効果的に中間層のエネルギーバンドギャップを長波長化することが可能になる。その場歪みモニタリング機能を装備した有機金属気相エピタキシー（MOCVD）装置を用いることで、GaAs基板との横方向格子整合条件を完璧に満たしながら、最大100層のInGaAs/GaAsP MQW構造の結晶成長に成功し、障壁層の薄層化と界面制御により3.3mA/cm2の短絡電流増加を達成した。また、新たに階段型量子井戸を導入することで、吸収端を1μmまで長波長化することに成功した。並行して、太陽電池モジュール表面における太陽光の反射を効果的に抑圧する微細加工構造を新たに提案し、実際にGaAs太陽電池に適用して、7%の変換効率向上を達成した。さらに、超高倍率集光型太陽光発電の実現へ向けて、直列構造モノリシック集積太陽電池の開発を進め、5素子の直列接続GaAs太陽電池の試作を行った。

The post-silicon solar cells with the energy conversion efficiency exceeding 40% are highly desired for the future low-carbon sustainable human society. To this end, we have launched the research on a novel type of multi-junction solar cells based on compound semiconductor. More specifically, strain-balanced multi-quantum-well (MQW) layers were introduced to a conventional tandem solar cell, which allows the effective bandgap narrowing of the middle cell while keeping the lattice matching condition. Using metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) with in-situ strain monitoring, we have successfully grown up to 100 stacks of InGaAs/GaAsP MQW layers with complete lattice matching to the GaAs substrate in the lateral direction. By thinning barrier layers and controlling interface structures, we have achieved short circuit current increase of 3.3mA/cm2. Newly introduced stepped quantum wells have successfully extended absorption edge wavelength up to 1 µm. At the same time, we have also proposed a novel nano-structure to be introduced at the surface of solar cells, which has actually contributed to improving the conversion efficiency by 7% in a GaAs solar cell. In addition, we have started development of monolithic series-connected photovoltaic (PV) cells for highly concentrated photovoltaic systems. We have successfully fabricated a GaAs-based PV cell with 5-element series connection.