NAKANO and TANEMURA Laboratory, Dept. of Electrical Engineering

Current Research Projects 2012

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 functions that cannot be obtained with discrete devices.
More specifically, we have developed all-optical flip-flops, the essential elements for the photonic digital processing, and demonstrated in various optical packet routing experiments. Starting with the fabrication of the first multi-mode interference (MMI) all-optical flip-flop with distributed Bragg reflectors (DBRs), we have successfully achieved polarization-independent operation by introducing tensile strain into the multi-quantum-well (MQW) active layers, wavelength tuning by current injection, and low-power high-speed operation by employing Mach-Zehnder interferometer (MZI) configuration. At the same time, we have developed the fabrication technique to realize the world-first monolithic integration of an all-optical flip-flop with an all-optical switch based on semiconductor optical amplifier Mach-Zehnder interferometer (SOA-MZI). More recently, we have proposed and demonstrated a novel structure to realize optically clocked flip-flop operation.
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. We have realized the first 1x5 switch, polarization-insensitive 1x8 switch, and 1X16 switch on InP substrates and demonstrated the wide operating optical bandwidth as well as fast switching response. Using these switches, we have also 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 1X100 switch and demonstrated the scalability of the phased-array scheme. More recently, we have demonstrated the first 8X8 switch based on the similar phased-array structure, proving the applicability of our scheme to realize NXN switch matrices on chip.

　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1.55m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.

　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いる。これまで、TE/TM偏波モード導波路型光アイソレータの開発を始めとして、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。さらに、リングレーザに光アイソレータを集積することで、外部磁場により発振方向を制御することに世界で初めて成功した。最近では、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・原理検証に成功した。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プラットフォームにヘテロ集積する研究も進めている。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を行っている。シリンコン層からの電流注入によりレーザ発振させることに初めて成功し、シリコンチップ上発光素子としての可能性を明らかにした。 これと並行して、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)を用いて、III-V化合物半導体光デバイスを直接シリコン基板上に集積する研究も行っている。マイクロチャンネル選択成長技術を用いることで、シリコン基板上にInGaAs層を横方向成長させる技術を確立し、1.55m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。

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 the monolithic integration of a DFB laser with TE-mode optical isolator, a TM-mode optical isolator with epitaxially grown MnAs or MnSb ferromagnetic layer, and the world-first ring laser with integrated isolator, whose lasing direction could be controlled by an external magnetic field. More recently, we have proposed a novel type of nonreciprocal polarization converter with asymmetric waveguide structure and demonstrated its operation experimentally.
In addition, we have also been working on hetero-integration of lasers and active devices on silicon platform for the future optical interconnection. We have proposed a novel structure of bonding InP active devices onto silicon wire waveguides and demonstrated the device fabrication using the oxygen-plasma-assisted direct bonding technique. For the first time, lasing was achieved by injecting current from the silicon layer, which supports the potentials of using the proposed structure for light source on a silicon chip.
Concurrently, we have also been working on direct integration of III-V semiconductor opto-electronic devices on silicon substrates by using the metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). We have developed the micro-channel selective-area MOVPE technique to grow InGaAs layer laterally on a silicon substrate. The fabricated structure successfully exhibited strong photoluminescence at the 1.55-m wavelength range.

　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1m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.