研究現況 2013/H25
Monolithically Integrated Semiconductor Photonic Circuits and Photonic Networking
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。これまでに、全光フリップフロップや導波路型光アイソレータなど、数々の革新的な光素子を提案し、先駆的な成果を挙げてきた。特に最近では、光信号の高速ルーティングやスキャニングを可能にするスケーラブルな集積光スイッチング素子の研究開発を進めている。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、光時間分割・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。最近では、同様の手法を用いた8×8スイッチを試作・実証し、オンチップN×Nスイッチマトリクスへの拡張可能性を示した。また、同様の技術を用いて、自由空間中のビームスキャニング動作も実証している。並行して、光集積回路内で光の偏波状態を自在に制御する技術の研究開発も進めている。レーザーや半導体光増幅器などとのモノリシック集積が容易にできるハーフリッジ型偏波変換素子を新たに提案し、InP基板上に試作・実証することに成功した。1510～1570nmの広い波長域にわたって96％以上の偏波変換効率、および、1dB以下の挿入損失を達成し、偏波多重光通信用送受信回路などに適用できることを示した。
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 functionalities that cannot be obtained with discrete devices. Up to now, we have proposed and demonstrated a variety of innovative integrated optical devices, including all-optical flip-flops and waveguide optical isolators. More recently, we have been working on scalable integrated optical switching devices that enable high-speed routing and scanning of input optical signals. We have proposed a novel type of photonic integrated switch based on optical phased array. We have realized the first 15 switch, polarization-insensitive 18 switch, and 116 switch on InP substrates and demonstrated the wide operating optical bandwidth as well as high-speed switching response. Using these switches, we have demonstrated optical-time-division and wavelength-division multiplexed packet switching as well as all-optical buffering experiments, showing the potential applicability to optical routers. In addition, we have succeeded in fabricating the world-first monolithically integrated 1100 switch and demonstrated the scalability of the phased-array scheme. More recently, we have demonstrated the first 88 switch based on the similar phased-array structure, proving the applicability of our scheme to realize NN switch matrices on chip. We have also demonstrated dynamic optical beam scanning in the free space using the same technology. Concurrently, we have been developing novel technologies to enable polarization-controlling functionalities on the photonic integrated circuits. We have proposed and successfully demonstrated a novel InP half-ridge polarization converter, which could be integrated monolithically with semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers. We have achieved a high polarization converting efficiency over 96% as well as low insertion loss of less than 1 dB over the broad wavelength range from 1510 nm to 1570 nm, demonstrating its applicability to the polarization-multiplexed optical transmitters and receivers.
All-Optical Switches and Light-Controlling Devices Based on Advanced Quantum Microstructures
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／受光器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や高効率光変調器・受光器の実現に向けて、窒化物ヘテロ構造におけるサブバンド間遷移(ISBT)デバイスの研究を行っている。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で有機金属気相エピタキシー（MOVPE）成長することで、世界で初めて、全MOVPEによる1.55m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、挿入損失と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/detectors 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 as well as highly efficient modulators and detectors. By using the pulse-injection metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) technique for low-temperature growth of AlN/GaN multi-quantum-wells (MQWs), we have, for the first time in the world, realized all-MOVPE-grown 1.55-m ISBT MQW structures and demonstrated its saturable absorptive characteristic. 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 insertion loss and switching power.
Next Generation Semiconductor Lasers, Optical Interconnection and Active Optical Devices with Advanced Functions
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ト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。特に最近では、将来のオンチップ光インターコネクト技術の確立に向けて、シリコンプラットフォームにレーザ等の光能動素子をヘテロ集積する研究を進めている。新規に開発したマイクロチャンネル選択成長手法を用いることで、シリコン基板上にInGaAs層を横方向成長させてマイクロディスクを作製する技術を確立し、1.55m帯で強いフォトルミネッセンスを観測することに成功した。さらに、電流励起レーザの実現に向けて、横方向pn接合形成技術や、フォトニック結晶キャビティの最適設計手法の研究も進めている。並行して、オンチップ光インターコネクトで用いる究極的に小さなレーザの実現を目指して、金属キャビティIII/V族レーザの研究を開始した。カプセル型金属キャビティレーザを新たに提案し、側壁を球面ミラー構造にすることで、プラズモニック光損失とレーザ発振閾値を大幅に低減できることを明らかにした。
For the next-generation optical communication and optical interconnects applications, we have been developing compact and high-performance light sources. 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 developed various types of highly functional lasers and optical interconnection devices. More recently, we have been working on hetero-integration of lasers and active devices on a silicon platform for the future on-chip optical interconnects. We have developed a novel micro-channel selective-area metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) technique to grow InGaAs layer laterally on a silicon substrate to form InGaAs microdisk arrays. The fabricated structure successfully exhibited strong photoluminescence at the 1.55-m wavelength range. To achieve electrically pumped lasing operation, we have also been developing the lateral pn-doping techniques and optimization method to design high-Q photonic crystal cavity structures. Concurrently, we have launched a research on metallic cavity III/V lasers to realize ultimately small lasers for the on-chip optical interconnects. We have proposed a novel capsule-shaped metallic cavity laser structure, which could offer significant reduction of plasmonic losses and lasing threshold by optimizing the cylindrical curvature of the sidewall mirrors.
Post-Silicon Highly Efficient Solar Cells with Compound Semiconductor Quantum Structures
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の効率向上をめざして、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（MOVPE）装置を用いることで、GaAs基板との横方向格子歪みを完全に補償したInGaAs/GaAsP MQW構造を導入することにより、吸収端を1mまで長波長化することに成功し、24%を超えるエネルギー変換効率を実現している。並行して、太陽電池の裏面における太陽光の散乱を利用した光閉じ込め構造を提案し、上記のMQW構造挿入型太陽電池に適用して、変換効率25%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、バイパスダイオード集積型10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 been working 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 (MOVPE) with in-situ strain monitoring, we have successfully grown up of InGaAs/GaAsP MQW layers, which showed the extend the absorption edge wavelength up to 1 µm. Currently we have achieved over 24% of energy conversion efficiency by applying such a MQW structure in the i-region of GaAs p-i-n solar cell. At the same time, we have also proposed a novel light-trapping structure using a light scattering at the back surface of the solar cell, which has actually improve the conversion efficiency by up to 25% for the MQW inserted GaAs solar cell. In addition, we have been developing the monolithic integrated series-connected solar cells for highly concentrated photovoltaic (CPV) systems. We have successfully fabricated a GaAs-based solar cell with 10-element series connection with bypass diode.