2012 Fiscal Year Annual Research Report
集積回路上光配線に向けた横方向電流注入型半導体薄膜レーザの研究
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24246061
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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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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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 半導体薄膜レーザ / 半導体レーザ / 極低消費電力動作 / 光配線 |
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| Research Abstract |
オンチップ光配線への応用に向けた小型かつ極低消費電力動作が可能な強光閉じ込め効果を用いた極低しきい値半導体薄膜DFBレーザの実現および高速動作化を目的としている。オンチップ光配線の実現に向けた半導体光源には1 mA以下の極低駆動電流動作と同時に、チップ内で信号を伝送する上で十分な光出力強度と直接変調帯域が要求される。 本研究ではこれらの要求値を満たす半導体薄膜レーザの実現に向け発振特性および高速変調特性の理論解析と半導体薄膜レーザの構造設計を行った。コア層150 nm、共振器長約40 μmの微細共振器を有する半導体薄膜レーザにおいて、0.16 mW 以上の十分な光出力強度および10 Gb/s以上の直接信号伝送帯域を駆動電流値 1 mAで実現可能であることを示した。これらの動作特性はオンチップ光配線での要求値を十分に満たす。また、半導体薄膜レーザを含む微細共振器を有する光デバイスでは熱伝導率の低い低屈折率材料をクラッド層に有することから、電流注入による自己発熱の影響を理論的に解析し動作特性への影響を評価した結果、半導体薄膜レーザの熱抵抗値を約6100 K/Wと試算し、発熱の影響を考慮した半導体薄膜レーザの動作特性解析においても、オンチップ光配線の要求を十分満たす事を示した。 これらの動作特性解析および熱特性解析を踏まえ半導体薄膜レーザの素子試作を行った。理論解析から予想された自己発熱の影響を低減するために熱伝導率の低いBCBの厚さを従来の6 μmから2 μmに薄膜化することで熱抵抗値の低減を図った。この結果、コア層厚220 nm、共振器長700 μmの半導体薄膜レーザを試作し、しきい値電流値 3.5 mAの室温連続動作に初めて成功した。これにより、今後さらなる薄膜構造および短共振器構造を導入することでサブミリアンペア動作可能な低消費電力半導体薄膜レーザの実現が期待される。
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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
初年度にコア層厚220 nm共振器長700 μmの半導体薄膜レーザにおいて、しきい値電流3.5 mAの室温連続発振の実現に成功しており、今後、共振器に回折格子を導入した分布帰還構造の導入および短共振器化を進めることで1 mA以下の極低しきい値動作が見込まれる。
さらに室温連続動作が実現されたことから、今後半導体薄膜レーザの高速直接変調の実現に向けた動的特性の評価が可能となり、オンチップ光配線の要求を総合的に満たすデバイス開発への展開が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
半導体薄膜レーザの極低しきい値動作に向け、150 nm程度の薄膜構造および反射率の高い回折格子を導入して50 μm以下の短共振器分布帰還レーザ構造の試作を行う。
また、光配線応用のために低損失光導波路および高速光検出素子との集積化を目的としたInP再成長法を用いたButt-Jointプロセスや量子井戸無秩序化プロセスによる受動領域の形成法等の研究を進めており、これらを用いた極低しきい値半導体薄膜レーザの実現を目指す。
さらに、これまでに半導体薄膜レーザの室温連続動作が達成されていることから、10 Gb/s以上の直接変調帯域の実現に向けた動的特性の評価に着手する。
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[Journal Article] J. Opt. Soc. Amer. B2012
Author(s)
S. Myoga
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Journal Title
Carrier-concentration-dependent resonance frequency shift in a metamaterial loaded semiconductor
Volume: 29
Pages: 2110-2115
DOI
Peer Reviewed
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