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2015 年度 実績報告書

半導体薄膜構造による極低消費電力モノリシック光集積回路の研究

研究課題

研究課題/領域番号 15J11776
研究機関東京工業大学

研究代表者

井上 大輔  東京工業大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2015-04-24 – 2018-03-31
キーワード光配線 / 半導体レーザ / 半導体薄膜レーザ / 極低消費電力動作
研究実績の概要

近年、LSIチップにおける電気配線層は信号遅延や発熱の増大によってチップ全体の性能を律速する要因となっている。そこで既存の銅電気配線の代替となる、新規の配線技術が求められている。本研究では、Ⅲ-Ⅴ族半導体薄膜構造を用いた光配線技術を提案している。薄膜構造がもたらす高い比屈折率差によって極低電力なDFBレーザ光源を高密度に集積した光配線が実現できる。以上の手法によって半導体薄膜光配線がLSIチップ上の銅グローバル配線を代替する新規技術であることを示すことを最終目的としている上述の研究目的に沿って、以下の研究成果を挙げた。
(1) 半導体薄膜DFBレーザにおける高変調効率動作
半導体レーザの電流注入量に対する帯域の上昇の傾きである変調効率を実験的に明らかにした。小信号応答特性から得た緩和振動周波数をプロットした傾きから変調効率11 GHz/mA1/2を得た。これまで報告されたDFBレーザとしては最も高い値であり、薄膜DFBレーザの低電流注入条件下における高い高速性を示した。
(2) 半導体薄膜DFBレーザの10 Gbps直接変調の実現
薄膜DFBレーザを大信号電圧で直接変調し信号伝送実験を行った。平均受信電力-5.8 dBmのときに1×10-9を下回るBERが得られており良好な伝送特性が確認できた。10 Gbps光出力信号のアイパターンより、消光比(Extinction ratio: ER)が5dBで十分な光変調とともにアイ開口を確認した。このことは、薄膜DFBレーザが低しきい値電流動作だけではなく低電流領域での高速動作を実現した成果であり、オンチップ光配線の光源として優れた性能であることを示した。

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

オンチップ光配線に向けたIII-V半導体薄膜光集積回路として、以下の研究成果を挙げた。
(1) 強屈折率結合構造な薄膜DFBレーザを作製することで注入電流に対する帯域の上昇の傾きである変調効率として11 GHz/mA1/2を実現した。これはDFBレーザとしては世界最高の値であり、薄膜DFBレーザが低電流な領域で優れた高速性を有していることを明らかにした。
(2) 薄膜DFBレーザの直接変調実験を行い、1 mAのバイアス電流を用いてデータレート10 Gbps、NRZ 2 31-1の信号を伝送しビットエラーレート1×10-9以下を達成した。
以上の研究進捗状況から、次年度では薄膜DFBレーザと光検出器を一体集積した薄膜光リンクの作製を行い、チップ上での極低消費電力信号伝送を達成できると見込まれる。

今後の研究の推進方策

本年度までに薄膜DFBレーザの低バイアス電流での高速性を示すことに成功した。今後は結晶成長法による集積化技術を用いて薄膜DFBレーザとPIN型光検出器を集積化し、光リンク構造における信号伝送特性を明らかにする。課題としてはリンク構造におけるレーザと光検出器の間に適切な電気絶縁性を導入すること、集積構造における特性と個々の素子特性を分離して解析することで適切に信号伝送評価を行うことが必要となる。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 謝辞記載あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 5件)

  • [雑誌論文] Monolithic Integration of Membrane-based Butt-jointed Built-in DFB Lasers and PIN Photodiodes Bonded on Si Substrate2015

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Inoue, Takuo Hiratani, Yuuki Atsudi, Takahiro Tomiyasu, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai.
    • 雑誌名

      IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics

      巻: 21 ページ: 1502907

    • DOI

      10.1109/JSTQE.2015.2435898

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] igh-modulation efficiency operation of GaInAsP/InP membrane distributed feedback laser on Si substrate2015

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Inoue, Takuo Hiratani, Kai Fukuda, Takahiro Tomiyasu, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai.
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 23 ページ: 29024-29031

    • DOI

      10.1364/OE.23.029024

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 10 Gbps Operation of Membrane DFB Laser on Silicon with Record High Modulation Efficiency2016

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Inoue, Takuo Hiratani, Kai Fukuda, Takahiro Tomiyasu, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
    • 学会等名
      The International Confarence on Indium phosphide and related materials 2015
    • 発表場所
      富山国際会議場
    • 年月日
      2016-06-26 – 2016-06-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Si基板上GaInAsP/InP薄膜DFBレーザの高変調効率動作2016

    • 著者名/発表者名
      井上大輔, 平谷拓生, 福田快, 冨安高弘, 雨宮智宏, 西山伸彦, 荒井滋久.
    • 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] Direct Modulation Properties of GaInAsP/InP Membrane DFB Laser on Si2015

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Inoue, Takuo Hiratani, Kai Fukuda, Takahiro Tomiyasu, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
    • 学会等名
      The 5th International Symposium on Photonics and Electronics Convergence
    • 発表場所
      東京大学
    • 年月日
      2015-11-30 – 2015-12-02
    • 国際学会
  • [学会発表] High Modulation Efficiency of Sub-milliampere Threshold GaInAsP/InP Membrane DFB Laser2015

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Inoue, Takuo Hiratani, Kai Fukuda, Takahiro Tomiyasu, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
    • 学会等名
      The 2015 IEEE Photonics Conference, 28th Annual Conference of the IEEE Photonics Society
    • 発表場所
      Reston
    • 年月日
      2015-10-04 – 2015-10-08
    • 国際学会
  • [学会発表] Si基板上GaInAsP/InP薄膜DFBレーザの直接変調応答2015

    • 著者名/発表者名
      井上大輔, 平谷拓生, 福田快, 冨安高弘, 雨宮智宏, 西山伸彦, 荒井滋久.
    • 学会等名
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場
    • 年月日
      2015-09-13 – 2015-09-16
  • [学会発表] Monolithic Integration of Low Threshold-current Membrane DFB Laser and Low Dark-current PIN Photodiode2015

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Inoue, Takuo Hiratani, Takahiro Tomiyasu, Kai Fukuda, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai.
    • 学会等名
      The International Nano-Optoelectronics Workshop 2015
    • 発表場所
      東京大学
    • 年月日
      2015-08-03 – 2015-08-07
    • 国際学会
  • [学会発表] Integration of Membrane-based DFB Laser and PIN Photodiode on Si Substrate toward On-chip Interconnection,2015

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Inoue, Takuo Hiratani, Yuuki Atsudi, Takahiro Tomiyasu, Tomohiro Amemiya, Nobuhiko Nishiyama, Shigehisa Arai
    • 学会等名
      The IEEE Optical Interconnects Conference 2015
    • 発表場所
      San Diego
    • 年月日
      2015-04-20 – 2015-04-22
    • 国際学会

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公開日: 2016-12-27  

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