NAKANO and TANEMURA Laboratory, Dept. of Electrical Engineering

Current Research Projects 2004

1. 次世代高性能/高機能半導体レーザ・発光素子
Next Generation Semiconductor Lasers and Light Emitting Devices with Ultra-high Performances and Advanced Functions
中野義昭・杉山正和・清水大雅・池田健志・陳農・梁吉鎬・Y. I. キム・西出和広・大塚節文・F. C. イット・J. ダルジャ・雨宮智宏
Y. NAKANO, M. SUGIYAMA, H. SHIMIZU, K. IKEDA, N. CHEN, J.-H. LIANG, Y. I. KIM, K. NISHIDE, T. OHTSUKA, F. C. YIT, J. DARJA, and T. AMEMIYA

 次世代光通信・光情報処理を担う小型高性能光源の開発を目的に,以下の研究を行っている.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)半導体レーザに関し,最近は特に,マストランスポートにより形成されるV溝InP基板上のInAsP圧縮歪み量子細線を,活性層および利得結合回折格子に適用せんとしている.また,能動半導体媒質の光非線型性を利用した全光制御デバイスの研究も行っており,方向性結合配置した双安定レーザダイオード(または光アンプ)による小型全光波長変換器を試作実証した.同原理に基づく波長可変レーザについても研究を開始した.一方,磁性金属と半導体光アンプから形成される小型光アイソレータの試作実験も行っている.これらと並行して,光インタコネクト向きの低閾値・クーラーレス半導体レーザの研究,窒化物材料による可視域高出力端面発光素子の研究,などを行っている.

For the purpose of developing compact and high-performance light sources for next generation optical communication and optical information processing applications, we are pursuing the following research subjects. Concerning the gain-coupled (GC) distributed feedback (DFB) semiconductor laser that we have been pioneering, we are recently trying to apply compressively-strained InAsP quantum wires formed by mass transport on V-grooved InP substrates to the active region as well as to the gain grating. Concurrently, we are investigating all-optical devices based on optical nonlinearity in active semiconductor medium, and have demonstrated a compact all-optical wavelength converter in directionally-coupled bistable laser diodes (or optical amplifiers). A trial to make tunable lasers based on the same principle has just been started. Furthermore, fabrication of a compact optical isolator consisting of magnetic metal and a semiconductor optical amplifier is conducted. Besides these, we are researching on low-threshold cooler-less semiconductor lasers for optical interconnect applications, and high-power visible-wavelength edge emission devices with nitride semiconductors.

2.高度量子マイクロ構造に基づく光変調器/光スイッチと光制御デバイス
Optical Modulators/Switches and Light-Controlling Devices Based on Advanced Quantum Microstructures
中野義昭・杉山正和・清水大雅・脇一太郎・任田玲子・C. カントゥーンキッティクル・周小平・大谷洋
Y. NAKANO, M. SUGIYAMA, H. SHIMIZU, I. WAKI, R. TOHDA, C. KUMTORNKITTIKUL, X. P. ZHAO, and H. OTANI

 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,吸収端から離れた透明波長域においても大きな電界屈折率変化の得られる3重結合量子井戸構造を新たに考案し,InGaAlAs系材料による実証実験を進めている.また,EA変調器を光非線型媒質として用いる新しい全光波長変換器/全光スイッチを提案し,マッハツェンダー干渉計(MZI)型素子の試作開発を進めている.一方,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の研究を行っており,有機金属気相エピタキシャル成長(MOCVD)によるAlN/GaN多重量子井戸構造において世界最短波長の光吸収を実現した.さらに,誘導結合プラズマによる窒化物材料のエッチング技術を開発し,GaN/AlGaN多重量子井戸ハイメサ導波路の試作と1.55μm光導波実験を行った.

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, a special triple coupled quantum well structure is investigated based on InGaAlAs materials for large electro-refraction in transparent wavelength range apart from the absorption edge. We have also proposed new all-optical wavelength conversion/all-optical switching concept using electro-absorption (EA) modulators as optical nonlinear media, and are developing Mach-Zehnder interferometer (MZI) type devices. Besides these activities, we are conducting research on sub-band transition in nitride heterostructures for future ultrafast all-optical switches, and succeeded in realizing the shortest wavelength absorption in AlN/GaN multiple quantum well structures by metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD). Moreover, a dry etching technology for nitride semiconductors by inductively-coupled plasma (ICP) has been developed and applied to the fabrication of GaN/AlGaN multiple quantum well high-mesa waveguides. Light propagation at 1.55μm has been confirmed.

3.半導体モノリシック光集積回路とフォトニックネットワーキング
Monolithically-Integrated Semiconductor Photonic Circuits and Photonic Networking
中野義昭・杉山正和・清水大雅・E. グアルド・竹中充・M. レイバーン・宋学良・広井典良・A. アルアミン・櫻井謙司・堀口勝正・張臻瑞・M. J. チャン
Y. NAKANO, M. SUGIYAMA, H. SHIMIZU, E. GOUARDES, M. TAKENAKA, M. RABURN, X.-L. SONG, N. HIROI, A. AL AMIN, K. SAKURAI, K. HORIGUCHI, Z.-R. ZHANG, and M. J. CHAN

 モノリシック集積された光デバイス/回路では,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デバイスの試作・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.近年は特に,多モード干渉(MMI)カプラと半導体光アンプを集積化したMZI型全光スイッチ集積回路の設計と試作に取り組み,MOCVD選択成長による同光回路を世界で初めて実現した.選択成長によるアレイ導波路格子(AWG)と能動素子の集積化も試みている.このような光集積回路で増大する入出力光ポートと光ファイバアレイを一括で接続するOPLEAF技術の研究を開始した.光集積回路の超小型化に向けて,金属光配線の研究も活発化している.並行して,光回路でデジタル処理を可能にする全光フリップフロップの研究が進展してきており,方向性結合器型,MMI型,を提案・試作するとともに,その多段接続に向けた集積反射鏡構造の導入を開始した.一方,光集積回路の重要な応用であるフォトニックネットワークについて,ノード装置サブシステムの設計と実証に関する検討を行っている.

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 more complex functions and higher performances over discrete devices. In this work, we are studying novel monolithically-integrated photonic devices as well as the viable technology for monolithic active/passive integration. Over the past years, we tackled design and fabrication of an MZI all-optical switch circuit integrating multi-mode interference (MMI) couplers and semiconductor optical amplifiers (SOAs), and successfully realized the circuit by the selective-area MOCVD for the first time. The research is deployed toward integration of arrayed-waveguide gratings (AWGs) and active devices by the selective area growth. We started research on OPLEAF technology that enables single-step connection of an optical fiber array with input/output optical ports which are ever increasing in number in the current photonic integrated circuits. The study on metal optical wiring has become active recently toward ultra-compact photonic circuits. At the same time, the research on all-optical flip-flop, that is one essential element for photonic digital processing, has made a significant progress; two types of the devices, namely, directional coupler type and MMI type, are proposed and fabricated, with the new idea of integrated mirrors for incorporating cascadability. Concurrently, design and demonstration of optical switching node subsystem is studied for photonic networking, which is one important application area of the photonic integrated circuits.

4.InGaAsP系化合物半導体面積選択気相成長(SA-MOCVD)プロセスのCADツール開発
Development of the CAD-tool for the selective-area MOCVD process of InGaAsP
杉山 正和・中野 義昭・霜垣 幸浩・呉 豪振・和気 範明
M. SUGIYAMA, Y. NAKANO, Y. SHIMOGAKI, H. J. OH, and N. WAKI

 InGaAsP系4元混晶の面積選択MOCVDプロセスは,赤外波長帯用半導体光通信デバイスのモノリシック集積化に不可欠な技術である。本プロセスにおいては,基板表面に形成するSiO2マスクの形状を変化させることにより,マスク近傍に形成される多重量子井戸構造の発光波長を変化させ,一回の成長で1枚の基板上に能動素子と受動素子を形成する。このような選択成長法においては,SiO2マスク形状の設計が本質的に重要である。従来は,マスク幅と発光波長の相関を経験的に求め,マスク設計を行ってきた。しかし,集積化に伴い能動素子を隣接させた場合,マスク同士の干渉が顕著になる。このように複雑な要素が絡むため,マスク設計を行うためのCADツールが必要となっている。従来の本グループの研究により,マスク端から数μm以上離れた領域では,エピタキシャル層の成長速度と組成は,製膜種の気相拡散係数と表面取り込み係数の比で表されることがわかっている。また,GaおよびInの製膜種に関する気相拡散係数と表面取り込み係数も実験により求められている。これらの知見を用い,任意のマスク形状によりもたらされる量子井戸構造の層厚,組成の変化を計算により求め,ひずみも考慮に入れて発光波長の分布を求めるシミュレーションツールを作成している。

The selective-area MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition) of InGaAsP alloys is an indispensable technology for the monolithic integration of semiconductor infrared optical devices. In this process, we can fabricate both active and passive devices in a single substrate by a single growth, by altering the shape of SiO2 masks that are formed on the surface of a substrate. In such a selective growth, the design of the shape of SiO2 masks is essential. In conventional approach, we investigated an empirical relation between the mask width and the photoluminescence wavelength of selectively grown devices. However, as the device integration proceeds, the interference between neighboring masks becomes significant. In order to take such complicated factors into account, we need the CAD tool for the mask design of selective area growth. We have clarified that, in the growth region more than a few micrometers apart from the mask edge, both the growth rate and the composition of an epitaxial layer are determined by the balance of gas-phase diffusion and the surface incorporation of a film-forming precursor. In addition, we have obtained experimentally the values of the gas-phase diffusion coefficients and the surface incorporation coefficients of the precursors of In and Ga. Using such information, we are currently fabricating a CAD tool that can predict the distribution of the photoluminescence wavelength from a quantum well structure that is formed by a given shape of a mask. This is realized by calculating the modulation of the thickness and the composition of the quantum well and by calculating its quantum energy levels taking the lattice strain into account.

5.数値流体力学によるInGaAsP系化合物半導体有機金属気相成長(MOCVD)プロセスのシミュレーション
Simulation of InGaAsP Metalorganic Chemical Vapor Deposition Process using Computational Fluid Dynamics Simulation
杉山 正和・中野 義昭・霜垣 幸浩・林 益台・塩田倫也
M. SUGIYAMA, Y. NAKANO, Y. SHIMOGAKI, I. T. IM, and T. SHIODA

 InGaAsPのMOCVDプロセス最適化のためには、装置内の成長速度および組成分布を予測できるシミュレーションの構築が不可欠である。本研究では、円管型クラッキングセルを用いた実験で測定した気相反応速度のデータ、面積選択成長およびin situエリプソメトリーを用いて測定した表面反応速度のデータを基に、数値流体力学シミュレーションによりMOCVDリアクター内部の成長速度分布・組成分布を予測することを試みている。放射伝熱を考慮した反応器壁温度分布の3次元シミュレーション結果をもとに,As/P組成まで予測できる表面反応モデルを構築し,シミュレーション結果と実験結果の比較検討を行った。

For theoretical optimization of InGaAsP MOCVD processes, it is indispensable to predict the profile of growth rate and composition by simulations. In this work, we attempt to predict such reactor-scale profiles based on the experimental data: gas phase reaction rate constants measured with tubular cracking reactor, and surface reaction rate constants measured by in situ ellipsometry and by analyzing the growth-rate profile in selective-area growth. Based on the simulation of the wall temperature profile of the reactor including the effect of radiation, we constructed a surface reaction model that can simulate the As/P composition of the epitaxial layer, and compare the simulation results with experimental results.