NAKANO and TANEMURA Laboratory, Dept. of Electrical Engineering

Current Research Projects 2006

　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，これらは高度な光通信，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マッハツェンダー干渉計(MZI)型全光スイッチ集積回路の設計と試作に取り組み，有機金属気相エピタキシャル(MOCVD)選択成長による同光回路を世界で初めて実現した．現在はドーピング，エッチングに起因する導波損失を低減した高性能素子の実現に注力している．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デバイスについては，スイッチング素子としての可能性を追求している．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(光リードフレーム)技術については，モジュールの小型低コスト化に進展があった．光集積回路の超小型化に向けた金属光配線の研究も引き続き行っている．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も進展し，その多段接続に向けた分布ブラッグ反射型(DBR)MMI全光フリップフロップの試作に成功した．現在，これらの全光フリップフロップを利用した全光パケットルーティングを行っている．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ノード装置について，産学連携でサブシステムの構築を行って，光ラベルバーストスイッチング動作と波長変換衝突回避機能の実証を行った．

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 more complex functions and higher performances over discrete devices. In this work, we are studying novel monolithically-integrated photonic devices as well as the processing technology for monolithic active/passive integration. Over the past years, we tackled design and fabrication of a Mach-Zehnder interferometer (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 metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) for the first time. Currently, higher performances are pursued by reducing propagation loss due to doping and etching. Integration of arrayed-waveguide gratings (AWGs) and active devices by the selective area growth is also being studied, placing emphasis on their potential as switching devices. With regard to the OPLEAF (optical lead-frame) concept that enables single-step connection of an optical fiber array with input/output optical ports ever increasing in number in the current photonic integrated circuits, compact and low-cost modules have been developed. The study on metal optical wiring toward ultra-compact photonic circuits is kept going. At the same time, the research on all-optical flip-flop, that is one essential element for photonic digital processing, has made another significant progress; MMI all-optical flip-flops with distributed Bragg reflectors (DBR) for cascading has successfully been fabricated. All-optical packet routing experiments are being conducted at present by utilizing these all-optical flip-flops. Concurrently, as one important application area of the photonic integrated circuits, a photonic network node subsystem has been constructed under university/industry collaboration, and optical-label burst switching operation and collision avoidance by wavelength conversion have been demonstrated.

　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/InP系材料による実証実験を進めている．また，電界吸収(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．2005年度は，埋め込み再成長による素子試作技術を固めた．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(ISBT)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けるISBT吸収世界最短波長記録を更新するとともに，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．現在，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成長することに挑戦しており，これが可能になれば全MOCVDによる1.55μm帯ISBT量子井戸が実現できる．

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, a special triple coupled quantum well structure is investigated based on InGaAlAs/InP 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. In 2005 academic year, fabrication technology incorporating burying regrowth process has been developed. Besides these activities, we are conducting research on intersubband transition (ISBT) in nitride-based heterostructures for future ultrafast all-optical switches, and have renewed our record on the shortest ISBT absorption wavelength in AlN/GaN multiple quantum well (MQW) structures by metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD). We have also realized 1.55μm all-optical switching with minimum optical pulse energy to date by utilizing hybrid growth with molecular beam epitaxy. Currently, we are trying to grow AlN/GaN MQWs at low temperature by a novel pulse-injection MOCVD, so that we may make 1.55μm ISBT possible in all-MOCVD-grown samples in the near future.

　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，コースWDM向きの波長多重アレイをMOCVD選択成長技術を基礎に試作開発することに取り組んでいる．一方，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おり，2005年度はエピタキシャル成長可能なMnAsを電極とするTMモード光アイソレータの試作で成果を挙げるとともに，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に世界で初めて成功した．これらと並行して，光インタコネクト向きのフォトダイオードアレイの研究，光配線板用インタコネクトモジュールの試作開発，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 fabricate multiple wavelength arrays for coarse WDM applications based on the selective area MOCVD. On the other hand, proposal and fabrication of an integratable waveguide optical isolator consisting of magnetic metal and a semiconductor optical amplifier are being carried out, and TM-mode optical isolators with epitaxial MnAs electrodes have successfully been developed. Moreover, monolithic integration of a DFB laser and a TE-mode optical isolator has been demonstrated for the first time in the world. Besides these, photodiode arrays for optical interconnect, compact interconnect modules for optical printed circuit boards, and high-power visible-wavelength edge emission devices in nitride semiconductors are being investigated.

　有機金属気相成長（MOVPE）プロセスは，半導体光デバイスの作製，とくに大型装置を用いた量産に適している。しかし，装置が大型化するにつれ，装置内の製膜速度や組成の均一化を図る装置形状，プロセス条件の設計が極めて重要になっている。また，集積デバイスの作製に有効な選択成長プロセスにおいては，マスク形状の設計が本質的に重要であるが，デバイスの集積度向上に伴い隣接するマスクの影響を考慮したマスク設計が必要となる。このような装置スケール，マイクロスケールにおけるMOVPEプロセスの理論的な設計可能にするため，製膜メカニズムの理解に基づいたシミュレーションを開発している。装置スケールの輸送現象および化学反応の理解に基づいたシミュレーションにより，InGaAsP系４元混晶の成長速度と組成の分布が予測可能となった。また，気相拡散の知見と表面拡散・表面反応過程の速度データに基づき，選択MOVPEにおいて多重量子井戸構造のバンドギャップを定量的に予測することが可能になった。これらの定常状態に関するプロセス設計に加えて，MOVPEでは量子井戸ヘテロ界面の組成を急峻にすること，すなわち，成長層の組成を切り替える際の非定常状態の制御がデバイスの性能向上のために重要である。基板表面の反射率異方性スペクトル（RAS）をその場観察することにより，このような導入ガス切り替え時の非定常過程を明らかにすることを試みている。MOVPEにおいて気相と固相の間に流動性の高い中間相「サブサーフェス」が存在するというモデルを提唱し，ガス切り替えシーケンスによりサブサーフェスの状態を制御し，界面の急峻性向上を目指している。

Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) process is suitable for the fabrication of semiconductor optical devices especially for the mass production using large reactors. As the size of MOVPE reactors enlarges, the design of reactors and process conditions that realizes good uniformity of the growth rate and composition of epitaxial layers becomes essential. For the selective area growth technique that is effective for the fabrication integrated devices, the design of mask patterns is essential. Especially, we have to consider the interference of neighboring masks when the device integration proceeds. We have developed the simulation to realize the theoretical design of the MOVPE based on the understanding on the mechanism of this process. By the simulation based on the understanding of transport phenomena and chemical reaction inside a MOVPE reactor, we have made it possible to predict the distribution of the growth rate and the composition of InGaAsP quaternary layers in a reactor scale. We have also enabled the prediction of the bandgap-shift due to a given mask pattern in selective area growth based on the understanding of gas-phase and surface diffusion and surface reactions. In addition to these design of steady-state performance in MOVPE, it is crucial to make the hetero interface of quantum wells abrupt by an atomic layer for the high performance of semiconductor optical devices. Therefore, we have to control the transient phenomena when switching the composition of epitaxial layers. By observing the in situ reflectance anisotropy spectra of the surface of an epitaxial layer, we try to clarify such transient phenomena when switching the supply of gas-phase precursors. We propose the existence of the mobile intermediate layers, “subsurface,” that exists between the gas-phase and the crystal in the MOVPE, and try to make the hetero interface more abrupt by controlling the behavior of the subsurface through the optimization of gas-switching sequences. to design of multi-bandgap devices.