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 2008/H20

1. 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・種村拓夫・肥後昭男・清水克宏・S. イブラヒム・塩田倫也・武田浩司・李凌翰・I.M. ソアーンジ・藤村拓也・石塚彰
Y. NAKANO, M. SUGIYAMA, T. TANEMURA,A. HIGO, K. SHIMIZU, S. IBRAHIM, T. SHIODA, K. TAKEDA, L. H. LI, I. M. SOGANCI, T. FUJIMURA, and A. ISHIZUKA

 モノリシック集積された半導体光デバイス/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。近年は特に、多モード干渉(MMI)カプラと半導体光アンプ(SOA)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、SOAとMMIを一体化した新型高性能素子の実現に注力している。  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も進展し、分布ブラッグ反射型(DBR)MMI全光フリップフロップの試作を行うとともに、全光フリップフロップと上記の全光ゲートスイッチを利用して、320Gbps波長多重光パケットの光ラベル処理による全光ルーティング実験に成功した。さらに、多重量子井戸(MQW)活性層に伸張歪みを導入することで、偏波無依存化を実現した。  また、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を進めている。2007年度は、新たにフェーズアレイ型半導体1×5光スイッチの試作開発に成功し、広波長帯域性、高速応答性などの基本特性を実証した。同時に、マイクロマシン技術を適用した新型の集積光スイッチや高機能光デバイスの試作開発を進めている。  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い、10Gbpsと40Gbpsのビットレートトランスペアレント動作および3ノードによる迂回衝突回避機能などを実証した。2007年度は、JGN2光テストベッドにおけるフィールド伝送実験に成功し、実環境における適用性を実証した。

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 more complex functions and higher performances over discrete devices. In this work, we are studying novel monolithically integrated photonic circuits (PIC) as well as the processing technology for monolithic active/passive integration. Over the past years, we have 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, we are pursuing the higher-performance all-optical switch with a novel structure that merges the SOA and MMI. At the same time, the research on all-optical flip-flop, that is another essential element for photonic digital processing, has made another significant progress; MMI all-optical flip-flops with distributed Bragg reflectors (DBR) have been developed, and they have been utilized with the above mentioned all-optical gate switches to result in successful demonstration of all-optical routing of 320-Gbps WDM optical packets through optical label processing. We have also succeeded in demonstrating polarization-independent operation by introducing tensile strain into the multiple quantum-well (MQW) active layers. In addition, we have also been working on scalable integrated matrix optical switches that enable fast routing of optical signals. In 2007 academic year, we have fabricated a novel optical phased-array 1x5 switch and demonstrated basic functions such as broadband operation and fast switching response. At the same time, we have also launched a research on micro-machined integrated optical switches and highly functional devices. Concurrently, as one important application area of the photonic integrated circuits, a photonic network node subsystem has been constructed under university/industry collaboration, where 10/40-Gbps bitrate-transparent operation as well as contention resolution via deflection routing in a 3-node system has been demonstrated. In 2007 academic year, we have succeeded in field-trial transmission over the JGN2 testbed and demonstrated applicability to real systems.

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・種村拓夫・肥後昭男・大谷洋・H. ソダーバンル・V. R. ハラ
Y. NAKANO, M. SUGIYAMA, T. TANEMURA, A. HIGO, H. OHTANI, H. SODABANLU, and V. R. JARA

 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非対称結合量子井戸構造を考案し、InGaAlAs/InP系材料による実証実験を進めている。また、電界による空乏層の伸縮を通じた屈折率変化を利用した新型の光変調器/光スイッチに注目し、Nドープ濃度の依存性を明らかにした。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。また、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、および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, a special asymmetric 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 focused on a novel type of optical modulators/switches based on index change associated with expansion of the depletion layer through applied electric field and clarified its dependence on N-doping density. 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 1.55-μm 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 as to make 1.55-μm ISBT possible in all-MOCVD-grown samples in the near future. We have also been working on wet/dry hybrid etching technology to reduce propagation loss of AlN ridge waveguides as well as novel type of spot-size converter to achieve further reduction of switching power.

3.次世代半導体レーザ・光能動機能素子
Next Generation Semiconductor Lasers and Active Optical Devices with Advanced Functions
中野義昭・杉山正和・種村拓夫・肥後昭男・早川哲生・宋学良・王書栄・F.-C. イット・雨宮智宏・堀口勝正・高橋元悟
Y. NAKANO, M. SUGIYAMA, T. TANEMURA, A. HIGO, T. HAYAKAWA, X.-L. SONG, S.-R. WANG, F.-C. YIT, T. AMEMIYA, K. HORIGUCHI and G. TAKAHASHI

 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、MOCVD選択成長技術を基礎に各種高機能レーザを開発している。一方、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おり、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。2007年度は、MnSbを強磁性層に利用したTMモード光アイソレータを初めて実現し、新たに非対称導波路構造を持つ非相反偏波コンバータ型光アイソレータの研究に着手した。

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. Starting with the gain-coupled (GC) distributed feedback (DFB) semiconductor laser that we have been pioneering and the wavelength-multiplexed monolithically integrated laser array for coarse WDM applications, we have been working on various types of highly functional lasers based on the selective-area MOCVD. Proposal and fabrication of an integratable waveguide optical isolator consisting of a ferromagnetic metal and a semiconductor optical amplifier are being carried out in recent years, resulting in significant achievements such as monolithic integration of a DFB laser and a TE-mode optical isolator. In 2007 academic year, a ridge-waveguide TM-mode optical isolator with MnSb as the ferromagnetic layer has been fabricated for the first time. We have also launched a research on novel type of optical isolator based on nonreciprocal polarization converter with asymmetric waveguide structure.