2015 Fiscal Year Annual Research Report
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
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15H03578
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
國分 泰雄 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60134839)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
荒川 太郎 横浜国立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40293170)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 光制御 / マイクロリング / 光インバータ / 光２値論理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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．
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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
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．
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| Strategy for Future Research Activity |
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．
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Research Products
(10 results)
