Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

光集積回路 / 偏波 / 応用光学・量子光工学 / 光物性 / 半導体超微細化 / フォトニックネットワーク / 情報通信工学 / 偏光制御 / 光通信 / 半導体集積フォトニクス / 偏波制御 / 光通信システム

本研究では，半導体光集積回路内で光の偏波状態を自在に制御・検出する技術を実現し，一連の偏波処理光集積回路を創製することを目的とした．インジウムリン（InP）基板上にハーフリッジ型偏波変換素子と量子井戸型変調器や受光素子をモノリシックに集積することで，小型かつ高効率な偏波変調素子と偏波アナライザが実現できることを提案し，素子の試作と実証に成功した．さらに，これらの素子を用いることで，高速な多値ストークスベクトル変調信号を復調できることを実証した．これらの技術は，次世代の光通信システムをはじめとし，光センシング，量子演算など，多様な分野への応用が期待される．

光デバイス・光回路 / カーボンナノチューブ / 発光素子 / 半導体 / 光集積回路 / 光・電子集積回路 / 光通信

本研究では、カーボンナノチューブ用いて超高速・超小型の発光素子を開発することを目的としている。ここでは、半導体でのエレクトロルミネッセンス発光素子および黒体放射による発光素子について検討した。エレクトロルミネッセンス発光素子および黒体放射素子では、その発光機構の解明およびデバイス構造最適化による高速発光素子の作製に成功した。また、光通信測定では、微弱光下での測定系作製に成功した。また、微小共振器を用いて、発光の狭線幅化に成功した。

半導体レーザ / 光通信 / 光インターコネクト / 量子構造 / 面発光レーザ / GaInNAs / 半導体結晶成長 / 光集積回路

光LANや光インターコネクトなどの短距離から都市間までをカバーする低コストな光データリンク用光源が必要になると考えられる.特に,光ファイバに適した長波長1.1-1.6μm帯で温度制御装置を必要としない面発光レーザの実現が重要である.そこで本研究では,光データリンク用の長波長帯面発光レーザを,GaAs基板上材料を用いて実現することを目的とした.
まず,GaAs上材料として,高歪GaInAs,GaInNAs,GaInNAsドットおよびGaInAsSbドットの形成について検討を行った.化学ビーム成長法,分子ビーム成長法および有機金属気相成長法を用い,波長の長波長化とその発光効率の向上を検討した.高歪GaInAsによる1.1-1.2μm帯,GaInNAsによる1.2-1.4μm帯,GaInAsSbドットによる1.4-1.5μm帯の発光を実現し,GaAs基板上へ広い波長範囲の材料が形成できることを示した.また,GaInNAsドットは,レーザ特性向上に有利な高密度ドット形成に有効であることを示した.これらの構造/材料では,長波長ほど発光効率が低いが,高歪GaInAsおよびGaInNAsは,従来材料に近い発光効率を実現できたためレーザを製作し,それぞれ波長1.2μm,波長1.4μmまでのレーザ発振を実現した.さらに,高歪GaInAsについてはGaAs系短波長面発光レーザの製作プロセスを適用し,波長1.13μmの面発光レーザを実現した.高温動作,長距離高速伝送実験を行い,GaAs基板上の長波長帯面発光レーザが長距離まで対応可能な光伝送用光源に適用できることを示した.本研究では,波長1.2μm以上の面発光レーザは実現できていないが,今後,結晶形成条件の最適化による発光効率の向上により,1.1-1.5μm帯面発光レーザをGaAs上に実現できるものと考えている.

1.2μm波長帯半導体レーザ / 高歪GaInAs量子井戸構造 / 面発光レーザ / 温度特性 / 高速変調 / 半導体レーザ / 光通信 / 微小光学 / 並列光情報処理 / 光インターコネクト / 光集積回路

平成13年度は、まず波長1.2μm帯の高歪GaInAs量子井戸構造の成長機構解明と良好な結晶性の実現を行った。成長には有機金属気相成長法を用いた。GaAs基板上に成長される高歪GaInAs薄膜の成長を行うためには、歪による3次元成長モードを抑制し、2次元成長モードを使用しなければならない。そこで、3次元成長を誘起するIn原子の基板上での拡散を抑制する成長条件が適していると予想し、成長速度の高速化・成長温度の低温化・V/III比の増大の方向で成長条件の最適化を行った。その結果、成長速度6μm/h、成長温度560℃、V/III比10においてPL強度が最大となる最適条件を見出した。次に、高歪GaInAs量子井戸を持つ面発光レーザを製作し、その特性評価を行った。面発光レーザの結晶成長時には高歪GaInAsの上に高反射率の半導体DBR層を成長しなければならない。低抵抗のレーザを実現するために高濃度のP型ドーピングを行う必要があり、そのためGaInAsよりも高い成長温度でp型DBR層の成長を行う。この過程でGaInAs活性層が劣化する傾向が一時期見られたが、上記成長条件の最適化によりPL強度の劣化の少ない面発光レーザ用結晶の成長が実現できた。面発光レーザの特性としては室温CW動作での発振が得られており、閾値電流3mA、閾値電流密度3kA/cm^2、波長1.158μmであった。閾値電流密度がまだ十分低くなっていないため、成長条件の微妙な調整や製作プロセスの改善に余地があると考えられる。製作した面発光レーザを直接変調した結果、2.5Gbpsにおいて5kmの単一モードファイバ伝送を確認した。より高速化・長距離化のためには素子特性の向上が必要であり、その検討を今後行っていく予定である。

【研究分担者】
坂口孝浩	東京工業大学	精密工学研究所	助手	(Kakenデータベース)
小山二三夫	東京工業大学	精密工学研究所	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
植之原裕行	東京工業大学	精密工学研究所	助教授	(Kakenデータベース)
宮本智之	東京工業大学	精密工学研究所	助教授	(Kakenデータベース)
小山二三夫	東京工業大学	精密工学研究所	教授	(Kakenデータベース)
坂口孝浩	東京工業大学	精密工学研究所	助手	(Kakenデータベース)