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2015 年度 実績報告書

デジタルフォトニクスの実現を目指す超低閾値光信号2値論理プロセッサの研究

研究課題

研究課題/領域番号 15H03578
研究機関横浜国立大学

研究代表者

國分 泰雄  横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60134839)

研究分担者 荒川 太郎  横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40293170)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード光制御 / マイクロリング / 光インバータ / 光2値論理
研究実績の概要

本研究で実現を目指す光信号2値論理デバイスは,量子井戸半導体マイクロリングレーザによるインバータ素子の鋭い閾値特性を利用して,この光インバータを2段縦列に接続して2値論理を実現することを基本原理としている.このデバイスには,後段のマイクロリングレーザの発振光が前段に入射すると2値論理動作が困難になるため,後段のマイクロリングレーザは右回り発振光と左回り発振光の間で一方向にだけ強く発振する非対称発振が必要になる.そこで初年度はまず,マイクロリングレーザ型光インバータの入射端側バスライン導波路に方向性結合器導波路を設置して,その先端部にマイクロリングレーザから入射端方向へ向かう光を反射させるループミラーを設けた非対称方向性発振マイクロリングレーザを設計した.まずレート方程式を用いた解析によって非対称方向性発振を得るためのループミラーからの帰還量とそれを実現するためのループミラー部の長さを計算して,その解析結果より非対称方向性発振マイクロリングレーザを設計し,試作した.この設計では注入電流量を増やした時のマイクロリングの右回り発振光と左回り発振光の間で光出力の増加率(微分量子効率)に非対称性が発現するはずであるが,ループミラーからの帰還量(反射増幅率)を増やしても非対称方向性発振は観測されなかった.一方,ループミラー部とマイクロリング部の中間部分の量子井戸半導体導波路に電流を注入すると,非対称発振が増強された.これらの測定結果から,非対称発振を得るにはループミラーからの帰還増幅量だけでなく帰還光の位相も制御する必要があることが判明した.
一方,入出力導波路部の低損失化については,SiO2膜をカバー層に用いた赤外線急速加熱炉による選択的急速熱アニール法によって量子井戸の無秩序化を行い,加熱到達温度と加熱時間の調整によって動作波長帯での低損失化の見通しを得た.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の計画通り,まずレート方程式を用いた解析によってループミラー部に必要とされる反射増幅量とそれに必要なループミラー部の長さを設計して,初年度において非対称方向性発振マイクロリングレーザを設計・試作した.その結果,インバータ動作を確認した上で,非対称方向性発振を得るための条件に,これまでに考えられていたループミラー部からの帰還量だけでなく,帰還光の位相制御も重要であることを見出して今後の設計への新しい知見を得たこと,および入出力導波路部の低損失化に関しても,赤外線急速熱アニール法による多重量子井戸導波路の低損失化を確認したことから,上記のように判断した.

今後の研究の推進方策

初年度の非対称方向性発振マイクロリングレーザの試作と測定結果より,非対象方向性発振を得るためにはループミラー部の反射増幅量のみでなく帰還光の位相も重要であるとの結論を得ているが,これまでの非対称発振のための理論解析にはレート方程式を用いていたために,位相条件が含まれていなかった.そこで平成28年度は,複合共振器の共振条件を参考に,非対称方向性発振に必要な帰還量と位相の条件を理論的に解明して,位相制御部を設けて設計にフィードバックする.そして,この再設計に基づくデバイスを試作して,非対称方向性発振を確認する.また,インバータ動作はこれまでは入射波長の手動による切り替え(波長可変レーザの発振波長切り替え)によって確認していたが,動特性については不明であったので,現有の波長可変レーザに本研究によって整備するLiNbO3高速変調器とサンプリングオシロスコープを用いて,インバータ動作の動的特性(インバータ動作可能範囲のパルス強度とパルス幅依存性など)を測定して,インバータとしての動作可能速度を確認する.さらにその後,ループミラー付きマイクロリングレーザによるインバータを2段直列に接続した2値論理デバイスの動作に必要な条件(入力光強度範囲,1段目と2段目のマイクロリングレーザの離調の許容範囲)や出力パルス形状の波形整形効果,出力パルス強度の制御範囲などを理論的に解明する.
入出力導波路部の低損失化に関しては,動作波長帯での入出力導波路の低損失化の見通しを得たものの,同じ条件で急速熱アニールした後のアクティブ領域(マイクロリングレーザ部)への影響がないこと,すなわち選択的急速熱アニールが出来ているかどうかが確認できていないため,急速熱アニールによってアクティブ領域に変化がない選択的低損失化の条件を解明して,マイクロリングレーザと低損失パッシブ導波路の集積化を試みる.

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2016 2015

すべて 学会発表 (10件)

  • [学会発表] マイクロリング共振器装荷型マッハ・ツェンダー2×2光スイッチの高速化に関する検討2016

    • 著者名/発表者名
      川口直輝,堀健人,荒川太郎,國分泰雄
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] ダブル微小リング共振器装荷型マッハ・ツェンダー2×2量子井戸光スイッチの高速化の検討2016

    • 著者名/発表者名
      川口直輝,堀健人,荒川太郎,國分泰雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会第3回集積光デバイスと応用技術研究会
    • 発表場所
      東レ総合研修センター(静岡県三島市)
    • 年月日
      2016-03-03 – 2016-03-04
  • [学会発表] Silicon Microring Resonator-Loaded Mach-Zehnder Modulator with Interleaved pn Junction2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Homma, Rajdeep Gautam, Taro Arakawa, and Yasuo Kokubun
    • 学会等名
      20th Microoptic Conference (MOC'15)
    • 発表場所
      福岡国際会議場
    • 年月日
      2015-10-25 – 2015-10-28
  • [学会発表] シリコンマイクロリング装荷型マッハ・ツェンダー干渉計バイオセンサーのセンシング評価2015

    • 著者名/発表者名
      吉田草一郎,石原慎太郎,荒川太郎,國分泰雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会信頼性研究会
    • 発表場所
      青森
    • 年月日
      2015-08-27
  • [学会発表] Hiroyuki Homma, Rajdeep Gautam, Taro Arakawa, and Yasuo Kokubun2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Homma, Rajdeep Gautam, Taro Arakawa, and Yasuo Kokubun
    • 学会等名
      4th International Symp. Materials Science and Sufrace
    • 発表場所
      関東学院大学関内メディアセンター
    • 年月日
      2015-08-06
  • [学会発表] Design and Fabrication of Double Microring Resonator-Loaded Optical2015

    • 著者名/発表者名
      Kento Hori, Masaki Nishimura,
    • 学会等名
      4th International Symp. Materials Science and Sufrace
    • 発表場所
      関東学院大学関内メディアセンター
    • 年月日
      2015-08-06
  • [学会発表] 半導体微小リング共振器装荷マッハ・ツェンダー干渉計光制御デバイス2015

    • 著者名/発表者名
      荒川太郎,國分泰雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会 エレクトロニクスソサイエティ第1回 超高速光エレクトロニクス研究会
    • 発表場所
      東京大学生産技術研究所
    • 年月日
      2015-07-22
  • [学会発表] Highly-Sensitive Optical Biosensor Based on Si Microring-Enhanced2015

    • 著者名/発表者名
      Soichiro Yoshida, Shintaro Ishihara, Taro Arakawa, and Yasuo Kokubun
    • 学会等名
      International Symposium on Highly-Controlled Nano- and Micro-Scale Functional Surface Structures for
    • 発表場所
      関東学院大学
    • 年月日
      2015-05-23
  • [学会発表] 量子井戸マイクロリング装荷型マッハ・ツェンダー2×2光スイッチの設計と作製2015

    • 著者名/発表者名
      堀健人,西村真樹,荒川太郎,國分泰雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
    • 発表場所
      熱海
    • 年月日
      2015-04-23
  • [学会発表] インターリーブ型PN接合を有するシリコンマイクロリング装荷型マッハ・ツェンダー光変調器の評価2015

    • 著者名/発表者名
      本間洋行,ラジディープ・ゴータム,荒川太郎,國分泰雄
    • 学会等名
      電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
    • 発表場所
      熱海
    • 年月日
      2015-04-23

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公開日: 2017-01-06  

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