2012 Fiscal Year Annual Research Report
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22226008
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小山 二三夫 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (30178397)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂口 孝浩 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教 (70215622)
松谷 晃宏 東京工業大学, 学内共同利用施設等, 技術職員 (40397047)
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| Project Period (FY) |
2010-05-31 – 2015-03-31
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| Keywords | 光デバイス / 光回路 / 半導体レーザ / 光インターコネクト / 面発光レーザ |
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| Research Abstract |
本研究では，研究代表者の提案したMEMS 構造集積化による絶対波長安定化（アサーマル）面発光レーザアレイ，光群速度低下させて素子サイズを大幅に小型化して高速化を図るスローライト光検出器／光変調器をキイデバイスとして，その並列アレイ化，多波長集積化，超高速化，低消費電力化を進めて，現状技術の100 倍から1000 倍の超大容量(100Gbps-1Tbps)の光リンク／光配線のための革新的な集積光デバイスの開発を行い，高速化と低消費電力化を両立する集積フォトニクスの進化を目指し，平成24年度は，以下の研究成果を得た．
850nm帯面発光レーザにMEMS構造（図1(a),(b)）を集積し，周囲温度が変わっても波長の変化しないアサーマル動作を実現するとともに，カンチレバー構造にマイクロヒーターを同時に集積することで，局所加熱による5nnm以上の連続波長掃引を同時に達成した．さらにMEMS構造のカンチレバー長を変えることで，発振波長をウェハ面内で変えた多波長面発光レーザを実現した．
また，スローライト変調器を製作し，素子長50ミクロンの小型素子に対して，0.5Vの逆バイアス電圧で5dBの消光比実現した．これは半導体吸収型光変調器としては最小の動作電圧である．初期的な動特性として現在10Gbpsの変調が得られている．さらに，スローライト導波路の巨大な構造分散を用いて，超高解像度ビーム掃引・高分解能波長分波回路を実現できることを見出した．GaAlAs系スローライト導波路を作製しビーム広がり角0.04°以下，最大偏向角60°，解像点数1,000以上の高解像ビーム掃引を実現した．これは，非機械式のビーム掃引デバイスとしては世界最高値である．これにより自由空間光学系との融合で大規模な波長選択スイッチへの道を拓いた．
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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
現時点で得られている研究成果は以下に集約される．
１）温度変化に対する絶対波長安定化と波長可変動作を可能にする半導体レーザを初めて実現：現在光通信ネットワークで用いられる半導体レーザは，DFBレーザを個々に精密な温度制御で波長を管理して用いたもので，今後，加速的に伝送容量が拡大する短距離ネットワークや機器間・内の光配線で，温度制御無しでのWDM光源の新展開の方向性を示した．
２）面発光レーザとスローライト機能素子との一体集積：垂直共振器と変調器や増幅器，ビーム掃引などの機能デバイスを集積する新しい手法を提案・実証．特にデータセンターなどの将来の光配線における面発光レーザの高機能化に大きなインパクトをもたらす．
３）面発光レーザ構造を基軸としたスローライトデバイスの実現：超小型光スイッチや世界最高レベルの低電圧・小型光変調器を実現し，光配線用光源として中核をなす面発光レーザの高速化(>40Gbps)・低消費電力化を可能にする基盤技術を確立した．
４）スローライト導波路の高分散特性を利用した新機能創成：非機械方式では，世界最高レベルの高解像度ビーム掃引デバイスを実現している．波長領域での新たな大規模・小型光スイッチとしての展開が期待できる．
当初計画で目指した研究目標であるアサーマル波長可変面発光レーザを初めて実現するとともに，面発光レーザ構造を基軸としたスローライトスイッチ，変調器／光検出器の小型化に成功するなど，当初目標に向けて順調に研究が進展している．また，本研究遂行中に，スローライト導波路の巨大分散を利用した超高解像度ビーム掃引技術とその波長選択スイッチへの応用を推進するなど新たな展開も強力に推進している．本研究により，光配線の中核デバイスである面発光レーザを基軸として，新たな機能の付加・集積化を可能とする「面発光レーザフォトニクス」とも呼ぶべき領域が確立されつつある．
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| Strategy for Future Research Activity |
24年度までの研究で抽出された以下の問題に対して課題解決を行い研究を推進する．
問題点１）：従来構造では選択エッチングによりMEMS構造体を作製していたため，アンダーカット量で梁の長さがバラツキにより絶対波長がウェハ面内でばらつき，また，MEMSアクチュエータの乾燥時にスティッキングによりアレイ規模が制限．これに対する解決策としては，新たに考案したT字構造アクチュエータにより，アクチュエータサイズの精度が大幅に向上させる．また，25年度に新たに導入するフッ素系溶媒を用いた超臨界乾燥装置により，歩留まりがほぼ100%にさせる．
問題点２）マイクロヒーターによる消費電力増大と過大電流密度による波長可変範囲が10nm以下に律速されていた．これに対する解決策としては，静電アクチュエータの機構に切り替えることで，可変動作に要する消費電力をほぼゼロに低減し，FSR全域を20V以下の掃引電圧で掃引可と期待できる．
問題点３）面内横方向集積に伴い電気的アイソレーションが素子間のクロストークを発生．これに対する解決策としては，H+イオン注入による電気的アイソレーションの向上を図っている．初期的には10kΩ程度が得られており条件最適化により，1MΩの高アイソレーション化を目指す．
問題点４）電気的アイソレーションにより，結合部分における光学吸収損失が増大し，面発光レーザからの結合効率が数%に制限．これに対する解決策としては，結合部分の量子井戸混晶化による吸収損失低減，面内のカットオフ波長制御などの新しい試みに挑戦する．
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