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

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24226011
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2012-05-31 – 2015-03-31
• キーワード: 先端機能デバイス / VCSEL / 偏光双安定 / 光フリップ・フロップ / ビット誤り率 / ヘッダ識別 / スピントロニクス / スピン注入

研究実績の概要

平成26年度は以下の研究項目で大きな研究成果を得た。
1. 高次機能ナノ半導体レーザ: 電子スピン緩和時間が長い(110)GaAs/AlGaAs量子井戸への電気的スピン注入をめざし、引き続きFe/x-AlOxトンネル電極をもつLEDを作製した。LED構造を改良することにより、VCSELのレーザ発振に必要な1.5 kA/cm2の高電流密度においてスピン注入を実現し、室温で9.3%程度の電子スピン偏極率を実現した。
2. 偏光双安定VCSELのフリップ・フロップ動作: 偏光双安定特性を用いたANDゲート機能をもつ全光型フリップ・フロップ動作はメモリやヘッダ識別などへの応用が期待できる。動作の安定性を評価するためビット誤り率(BER)を測定し、ほぼエラーのない5E-10の誤り率を実現した。又、データ光のパワーを一定にし、BER値のセット光パワー依存性の測定結果と数値計算結果を比較することにより、BERの劣化要因は偏光双安定スイッチングしきい値の揺らぎと、データ光とセット光の相対的な位相差の変動による、合波光の強度揺らぎによることが分かった。さらに、波長の異なるデータ光とセット光を用いたフリップ・フロップ動作を初めて実証した。これまでデータ光とセット光を同一波長に設定していたため、2光波の位相差を高精度で制御する必要があった。この方法を用いることにより、システムの構成を簡便にできる可能性がある。
3. 偏光双安定VCSELのヘッダ識別への応用: 偏光双安定VCSELを2つ用い、全光型ヘッダ識別を実現した。光パケットのヘッダ部を4ビット500 Mb/s RZ信号、ペイロード部を40 Gb/s 11段PRBS NRZ信号とした。ヘッダ中の2ビットを識別することにより、4つの光出力ポートの内、ヘッダの宛先が示すポートへペイロードを切り換えることに成功し、多ビットヘッダ識別への拡張性を示した。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] All-optical 2-bit header recognition and packet switching using polarization bistable VCSELs (2015)
  • 著者名/発表者名: D. Hayashi, K. Nakao, T. Katayama, and H. Kawaguchi
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 23 ページ: 8357-8364
  • DOI: 10.1364/OE.23.008357
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] High-Frequency Self-Modulation in Short-External-Cavity VCSEL with Concave Mirror (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Liu, T. Katayama, and H. Kawaguchi
  • 雑誌名: IEEE Photonics Technology Letters 巻: 27 ページ: 280-283
  • DOI: 10.1109/LPT.2014.2368582
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effects of Spin Diffusion on Electron Spin Relaxation Time Measured with a Time-Resolved Microscopic Photoluminescence Technique (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Ikeda and H. Kawaguchi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 117 ページ: 053903-1~6
  • DOI: 10.1063/1.4906847
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 偏光双安定VCSELを用いた光信号処理 (2015)
  • 著者名/発表者名: 河口仁司
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 43 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Bit-Error-Rate Measurements of All-Optical Flip-Flop Operations of a 1.55-μm Polarization Bistable VCSEL (2014)
  • 著者名/発表者名: D. Hayashi, H. Takahashi, T. Katayama, and H. Kawaguchi
  • 雑誌名: Journal of Lightwave Technology 巻: 32 ページ: 2671-2677
  • DOI: 10.1109/JLT.2014.2332535
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electron Spin Relaxation Time in (110) InGaAs/InAlAs Quantum Wells (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Yokota, Y. Yasuda, K. Ikeda, and H. Kawaguchi
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics, 巻: 116 ページ: 023507-1~6
  • DOI: 10.1063/1.4887803
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Electron spin injection and transport in (110) quantum wells for room temperature operation of spin-controlled vertical-cavity surface-emitting lasers (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Yokota, K. Ikeda, N. Nishizawa, H. Munekata, and H. Kawaguchi
  • 学会等名: SPIE NanoScience + Engineering, Spintronics VIII
  • 発表場所: San Diego (USA)
  • 年月日: 2015-08-09 – 2015-08-13
  • 招待講演
• [学会発表] Recent Progress in Optical Functional Devices Based on Polarization Bistable VCSELs (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kawaguchi
  • 学会等名: The 17th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON 2015)
  • 発表場所: Budapest (Hungary)
  • 年月日: 2015-07-05 – 2015-07-09
  • 招待講演
• [学会発表] BER Performance Evaluation and Header Recognition Using All-Optical Flip-Flop Operation with AND-Gate Functionality (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Katayama, D. Hayashi, K. Nakao, and H. Kawaguchi
  • 学会等名: The Conference on Lasers and Electro-Optics/Europe and the European Quantum Electronics Conference 2015 (CLEO/Europe-EQEC 2015)
  • 発表場所: Munich (Germany)
  • 年月日: 2015-06-21 – 2015-06-25
• [学会発表] 波長の異なるデータ光とセット光を用いたANDゲート光フリップ・フロップ動作 (2015)
  • 著者名/発表者名: 仲尾一也、林大介、片山健夫、河口仁司
  • 学会等名: 2014年電子情報通信学会総合大会
  • 発表場所: 立命館大学(滋賀県・草津市)
  • 年月日: 2015-03-10 – 2015-03-13
• [学会発表] 偏光双安定VCSELを用いた全光型2ビットヘッダ識別による光パケットスイッチング (2014)
  • 著者名/発表者名: 林大介、仲尾一也、片山健夫、河口仁司
  • 学会等名: 電子情報通信学会 レーザ・量子エレクトロニクス研究会
  • 発表場所: 長崎歴史文化博物館 (長崎県・長崎市)
  • 年月日: 2014-10-30 – 2014-10-31
• [学会発表] 偏光双安定VCSELを用いた全光型2ビットヘッダ識別パケットスイッチング (2014)
  • 著者名/発表者名: 仲尾一也、林大介、片山健夫、河口仁司
  • 学会等名: 2014年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • 発表場所: 徳島大学(徳島県・徳島市)
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-26
• [学会発表] 偏光双安定VCSELを用いた光メモリ動作のビット誤り率測定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林大介、仲尾一也、片山健夫、河口仁司
  • 学会等名: 2014年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • 発表場所: 徳島大学(徳島県・徳島市)
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-26
• [学会発表] 凹面鏡外部共振器VCSELによる高速光パルス発生 (2014)
  • 著者名/発表者名: 劉涛、片山健夫、河口仁司
  • 学会等名: 2014年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • 発表場所: 徳島大学(徳島県・徳島市)
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-26
• [学会発表] 偏光無依存HCGに結合した光導波路の入射偏光による出力切り換え (2014)
  • 著者名/発表者名: 伊藤隼、片山健夫、河口仁司
  • 学会等名: 2014年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • 発表場所: 徳島大学(徳島県・徳島市)
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-26
• [学会発表] Fe/AlOx電極による (110) GaAs QWへの室温高電流密度スピン注入 (2014)
  • 著者名/発表者名: 横田信英、青島洋平、池田和浩、西沢望、宗片比呂夫、河口仁司
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学 (北海道・札幌市)
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 顕微ポンプ・プローブ法による (110) InGaAs/InAlAs MQWの電子スピン緩和時間測定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 横田信英、安田祐介、池田和浩、河口仁司
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学 (北海道・札幌市)
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 偏光制御による高機能フォトニックデバイス (2014)
  • 著者名/発表者名: 片山健夫
  • 学会等名: 日本学術会議公開シンポジウム「第4回先端フォトニクスシンポジウム」
  • 発表場所: 日本学術会議(東京都・港区)
  • 年月日: 2014-08-08
• [図書] Advanced Lasers: Laser physics and technology for applied and fundamental science, Springer Series in Optical Science, Vol. 193 (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Kawaguchi, D. A. May-Arrioja, J. E. Antonio-Lopez, J. J. Sanchez-Mondragn, P. LiKamWa, N. Sakhnenko, Vl. V. Kocharovsky, A. A. Belyanin, E. R. Kocharovskaya, V. V. Kocharovsky, V. V. Kiyko, V. A. Kondratyev, S. V. Gagarsky, E. N. Ofitserov, A. G. Suzdaltsev, A. N. Sergeev, O. Shulika, I. Sukhoivanov, et al.
  • 総ページ数: 234 (1-18)
  • 出版者: Springer
• [備考] 奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 超高速フォトニクス研究室
  • URL: http://mswebs.naist.jp/LABs/kawaguchi/index-j.html