NAKANO and TANEMURA Laboratory, Dept. of Electrical Engineering

Current Research Projects 2009

　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)を集積化した新型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ー(MOCVD)装置による能動素子／受動素子一括集積技術を用いることで、同光回路を世界で初めて実現した。 　並行して、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の研究も進展し、分布ブラッグ反射（DBR）型MMI全光フリップフロップの試作を行うとともに、これを利用した全光パケットルーティング実験に成功した。最近では、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などを実証した。さらに、モード重なりを高めたMZI型全光フリップフロップを初めて実現し、低消費電力かつ高速な光フリップフロップ動作に成功した。 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光フェーズアレイスイッチを世界に先駆けて実現した。最近では、1×8光スイッチの作製に成功し、低偏波依存特性、広波長帯域性、高速応答性などを実証した。さらに、開発した光スイッチを用いた320Gbps多波長パケットスイッチング実験も行い、光ルータへの適用性を明らかにした。また、これと並行して、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開発も進めている。

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 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 novel type of 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 active/passive integration using metal-organic vapor phase epitaxy (MOCVD) for the first time. At the same time, the research on all-optical flip-flop, which 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 demonstrated in all-optical packet routing experiments. More recently, we have achieved polarization-independent operation by introducing tensile strain into the multi-quantum-well (MQW) active layers, as well as wavelength-tunable operation by current injection. We have also succeeded in fabricating an MZI-based all-optical flip-flop with enhanced mode overlap, and have successfully demonstrated its low-power high-speed flip-flop operation for the first time. 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 and demonstrated the first 1x5 switch on an InP substrate. Recently, it has been extended to 1x8 switch, having low polarization dependence, wide operating bandwidth, and fast switching response. Using the developed switch, we have also demonstrated 320-Gbps multi-wavelength packet switching experiment, showing the potential application to optical routers. Concurrently, we have been working on micro-machined integrated optical switches and highly functional devices.

　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。さらに最近では、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、全MOCVDによる1.55μm帯ISBT量子井戸の実現に世界で初めて成功した。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を提案し、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, 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. 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。最近では、MnAsおよびMnSb強磁性層をエピタキシャルに成長したTMモード光アイソレータの実現に初めて成功した。さらには、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、デバイスの試作を進めている。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光集積回路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に成功した。

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 monolithic integration of a DFB laser and a TE-mode optical isolator. More recently, a ridge-waveguide TM-mode optical isolator with epitaxially grown MnAs or MnSb ferromagnetic layer has been realized for the first time. A novel type of nonreciprocal polarization converter with asymmetric waveguide structure has also been proposed and the first device has been fabricated successfully. In addition, we have also launched a research on hetero-integration of lasers and active devices on silicon photonic circuits for the future optical interconnection. We have proposed a novel structure of bonding InP active devices onto silicon wire waveguides and successfully demonstrated the device fabrication using an oxygen-plasma-assisted direct bonding technique.

　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. At the same time, we have also proposed and numerically demonstrated a novel nano-structure to be introduced at the surface of solar cells, which should effectively suppress the undesired light reflection.