2012 Fiscal Year Annual Research Report
高次機能半導体ナノフォトニックデバイスとその光ＲＡＭへの応用
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24226011
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Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
河口 仁司 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (40211180)
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| Project Period (FY) |
2012-05-31 – 2015-03-31
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| Keywords | 半導体レーザ / 先端機能デバイス / 偏光双安定 / スピントロニクス / 光RAM / 偏光無依存高屈折率差サブ波長回折格子 / 低消費電力光フリップ・フロップ / スピン緩和時間 |
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| Research Abstract |
平成24年度は以下の3点で大きな研究成果を得た。
1. 偏光無依存高屈折率差サブ波長回折格子（HCG）と、これを光共振器として用いる光導波路結合型HCG-VCSELを検討した。偏光双安定VCSELの実現に向け、偏光無依存な反射特性をもつHCG構造を検討した結果、VCSEL用の反射器として十分な反射特性をもつことがわかった。又、SOI基板を用い、1.55 μm帯の偏光無依存HCGを作製した。さらに、HCGを用いたVCSELでは、VCSELの発振偏光を切り換えることにより、出力導波路が切り換わることがわかった。高速偏光双安定VCSELの実現とそのSi基板上への集積化に有望である。
2. 980 nm帯偏光双安定VCSELに酸化狭窄構造を導入することにより、半導体レーザをベースとした光双安定素子としては世界最小である0.85 mAのバイアス電流で駆動し、全光型フリップ・フロップ動作を実現した。この結果は、1.7 mWの消費電力で1ビットの光メモリが実現できることを示している。又、一層の高速動作をめざし、通常のVCSELに比べ共振器の反射率を下げるとともに、活性層の光学利得を増加したVCSELを試作した。その結果、より一層の高速動作が期待できることがわかった。
3. ポンプ・プローブカー回転法を用いて量子井戸マイクロポストにおけるスピン緩和時間を評価した。0.5 μm角のポストでは、ポスト側面における非発光表面再結合によってキャリヤ寿命は約30 psに短縮されるが、約0.74 nsの長いスピン緩和時間が維持され、スピンVCSELの発振円偏光スイッチング速度の高速化に有効であることがわかった。又、光通信波長におけるスピン光デバイスを目指して、InP(110)基板上InGaAs/InAlAs 量子井戸をMBE法により成長し、室温において1 ns程度の電子スピン緩和時間を得た。
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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
交付申請書に記載した「研究の目的」および「研究の実施計画」では以下の3点を中心に研究を行う計画であった。
1. 高屈折率差サブ波長回折格子（HCG）反射鏡を用いたVCSELの検討、2. 偏光双安定VCSELの高速化、3. 多ビットメモリ実現のための偏光双安定VCSELの特性の均一化
研究実績に示したように、1. については当初の計画以上に進展し、偏光無依存HCGを実現し、HCG-VCSELのSi基板上への集積化に見通しを得た。2. については、計画通り偏光双安定VCSELの一層の高速化に見通しを得た。又、3. については、研究実績では述べなかったが、1.55 μm帯偏光双安定VCSELを試作し、全62素子中63％で明瞭な双安定性を得、均一性が確認された。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度は以下の研究項目に重点を置いて研究する。
1. 高次機能ナノ半導体レーザの研究：平成24年度に引き続き、高屈折率差サブ波長回折格子（HCG）VCSELのSOI（Silicon on Insulator）プラットホーム上への集積化を実現する。又、偏光無依存HCG-VCSELで偏光スイッチ／偏光双安定を実現する。
2. 偏光双安定VCSEL：平成24年度に引き続き、通常のVCSELに比べ共振器の反射率を下げるとともに、活性層の光学利得を増加したVCSELを用い、40 Gb/s RZ信号に対する全光型信号処理の実現をめざす。
3. 電流注入スピンVCSEL：強磁性体電極からVCSELへのスピン注入により、電子のスピン状態に依存した円偏光発振を実現する。又、半導体中の電子スピンの流れを可視化する。
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