2015 Fiscal Year Annual Research Report
オンチップ光配線のための超低消費電力半導体薄膜光回路の構築
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15H05763
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
荒井 滋久 東京工業大学, 量子ナノエレクトロニクス研究センター, 教授 (30151137)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松尾 慎治 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, その他部局等, その他 (00590473)
硴塚 孝明 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, その他部局等, 研究員 (20522345)
西山 伸彦 東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (80447531)
雨宮 智宏 東京工業大学, 量子ナノエレクトロニクス研究センター, 助教 (80551275)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2019-03-31
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| Keywords | 光デバイス / 光回路 / 半導体薄膜光デバイス / 低消費電力光デバイス / 光配線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、将来的なCMOS基板上高速光通信の実現に向けて、研究代表者が提案してきた極低消費電力動作可能な薄膜（メンブレン）半導体レーザを中心とする薄膜光回路の構築を目的としており、具体的には、(1) 小型・低消費電力・高効率を達成しうるレーザ、光検出器、導波路の設計の明確化と実現、(2) 要素デバイスをつなぎ合わせたシリコン基板上光集積回路の実現と低消費電力伝送の実証、および(3) CMOS基板上への光回路集積方法、接続方法の確立と基本的な信号伝送の実現を目指している。
平成27年度は主に各要素デバイスの研究および集積加工技術（特に貼り合わせ技術）について研究を行い、以下の成果を得た。
薄膜半導体レーザとして、光ファイバ通信に実用されている波長帯である1.5 ミクロン波長帯で単一波長動作する分布帰還（DFB）レーザ、およびこれに髙反射率の回折格子を集積した分布反射型（DR）レーザを作製し、現状の光ファイバ通信用レーザのしきい値電流と比較して1-2桁低い0.2-0.25 mAという極低しきい値電流動作を達成した。さらに、電流に高速信号を印加して光出力強度変調を行う方法（直接変調）における変調効率を測定し、1 mAという僅かな変調電流量に対しての変調応答周波数が光ファイバ通信用レーザに比べて数倍高い約10 GHzに達すること、実際に注入電流を1 mAとしてディジタル変調を行った結果、10 Gbit/s の高速信号に対してビット誤り率10のマイナス9乗の高速変調動作が可能であることを実証した。
光検出器に関しては、フォトニック結晶を用いた受光素子をシリコン基板上に作製し、素子長5ミクロンの微細受光素子において逆バイアス5Vにおいて100 pA以下の良好な暗電流特性を確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究計画は４年間で(1) 要素デバイスの探究、(2) 集積化のための基盤技術、(3) シリコン基板上光集積、(4) CMOS基板上光集積の研究を推進するものであり、初年度となる平成２７年度は主に(1)各要素デバイスの研究、および(2)集積加工技術（特に貼り合わせ技術）について研究を行った。
研究代表者が提案・実現してきたメンブレンレーザに関しては、Si基板上にBCBポリマーを介して分布帰還構造と分布反射器を集積した分布反射型（DR）レーザを貼り付ける方法で実現し、室温連続動作条件下でしきい値電流を0.25 mAまで低減すると共に、片側への光出力の微分量子効率11%を達成した。この値は、同様の作製プロセスで作製した半導体薄膜分布帰還レーザの約2倍の値である。一方、半導体薄膜分布帰還レーザにおいては、高速変調実験を行った結果、3 dB遮断周波数の変調電流量の平方根に対する変化率である変調効率9.9 GHz/√(mA)を得た。この値は、従来の光ファイバ通信用半導体レーザの2倍以上となる高い値であり、大信号変調を行った結果、動作電流1mAの低電流で10Gbit/sの超高速動作を実現した。
半導体薄膜光検出器に関しては、レーザと同様の活性層を用いる比較的長い素子（200 μm）において、10 Gbit/sの光信号に対する応答特性を確認した。
集積化のための基盤技術として初年度は、窒素プラズマを用いる表面活性化接合技術を導入して、Si-CMOS回路作製に用いられるSOI基板上に、GaInAsP/InP半導体レーザ用ウェーハ（2インチ径）を150℃という低温で均一に貼り付け、半導体レーザにお室温発振を実現した。つぎに、Siの細線状光導波路とリング光共振器を形成したSOIウェーハに同様の方法でGaInAsP/InP光増幅領域を貼り付けたハイブリッドレーザの室温動作を実現した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 要素デバイスの探究：シリコン基板上にBCBポリマーを介して直接貼り付けを行った半導体薄膜レーザについては、従来型半導体レーザに比べて1-2桁低いしきい値電流動作、および2-3倍高い直接変調応答特性を実現することができたが、理論的に期待されるしきい値電流および光出力効率についてはまだ2-3倍の改善余地がある。これらに対して、光増幅を行う活性領域と光導波路領域の結合部での漏れ電流成分の評価、薄膜構造受動光導波路領域の伝搬損失評価を行い、改善のための対策を講じる。半導体薄膜光検出器については、光入力に対する光電流の効率（感度）の素子長依存性を測定し、小型化および高速応答化の観点で有望な構造を明らかにすると共に、実際に素子作製と評価を行う。
上記の半導体薄膜レーザと半導体薄膜光検出器を低損失光導波路で結合した光リンクを構成し、オンチップ光配線に有用な10 Gbit/s以上の高速信号伝送を低消費電力動作させるための研究を行う。
(2) 集積化のための基盤技術とシリコン基板上光集積：上記の要素デバイスはいずれもシリコン基板上にBCBポリマーを介した直接貼り付け法で実現したが、表面活性化接合技術による強固で安定な直接貼り付けの可能性を探究する。
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