特別仕様のInGaAsP半導体光増幅器*1の試作品 （西2号館 301実験室）
半導体チップの長さ, Ls= 500, 700, 1100μm、顕微鏡写真。
半導体チップに、光パルス入出力用の光ファイバーを取り付け、
超高速な応答特性と量子変換効率を研究中*2。
InGaAsP光増幅器の超高速応答特性*3や量子変換効率*4を、研究中 （西2号館 301実験室）。
右図の速い波形の緩和時定数（約15ピコ秒）は、60GHz信号の周期に相当する。
フォトニックナノ結晶/量子ドット材料を利用した超小型光導波路･回路の
光導波特性や超高速応答特性を研究中 （西7号館513実験室）。
背後に見える光パルスレーザシステム(2セット)は、
光パルス幅 0.2ピコ秒 (200フェムト秒)以下、超広帯域な波長可変範囲 1〜2μmという、素晴らしい性能を誇る。
1段目は高出力励起レーザ、2段目がチタンサファイア･モードロックレーザ、
3段目が広帯域波長可変パラメトリック発振器。Spectra Physics社製 (Mountain View, CA, USA)。
手前の光学部品類は、手作りの超高速ポンプ･プローブ光波形計測システム (時間分解能 1ピコ秒以下*5)。
左図： フォトニックナノ結晶と量子ドット材料を融合した、集積光ゲート回路
右図： 量子ドットの原子間力顕微鏡写真と発光スペクトル
光回路の寸法： 300ミクロン × 600ミクロン
自己形成型 InAs量子ドット寸法： 10ナノメートル × 40ナノメートル (= 0.010ミクロン × 0.040ミクロン)
出典： (旧) フェムト秒テクノロジー研究機構,*6
Hitoshi Nakamura他, Jounal of Applied Physics vol. 96, no. 3, pp. 1425-1434, August 2004.
フォトニックナノ結晶を利用した光導波路の試作品
ナノ空孔の直径 約350ナノメートル (約0.35μm)、電子顕微鏡写真。
出典： (旧) フェムト秒テクノロジー研究機構,
Hitoshi Nakamura他, Optics Express vol. 12, no. 26, pp. 6606-6614, Dec. 2004.
フォトニックナノ結晶と量子ドット材料を融合した、
超小型で超省エネルギーな光ゲート回路の共同研究試作品
光学顕微鏡写真、左右に見えるガラス棒は先球ファイバー
ファイバー本体の直径 125μm、西7号館513実験室
出力光ビーム形状を観察しながら、
超微細なフォトニックナノ結晶導波路へ信号光ビームを入力し*7、
超高速光応答特性の比較実験を開始した （西7号館513実験室、2006年11月）。
- 解説
- *1 半導体光増幅器チップの標準的な寸法は半導体レーザチップと同様に、幅300μm、厚さ100μm、長さ500〜1,000μmと、"超"小さい。企業の製造部門や研究所では、大型のMOVPE成長装置、ステッパー露光装置、ドライエッチング･ウェットエッチング加工装置、電極金属蒸着装置、ヒートシンク融着装置など多数の装置を使って、半導体ウェハーからチップへと製作する。「研究試作品」の場合は手作業が多く（＝意外と、半導体レーザ製作よりさらに手間がかかる）、標準で2, 3週間を要し、大学院研究レベルでは少なからぬ負担になる。
- 本学では、市販品または特別仕様を指定して専門メーカへ注文している。
- *2 半導体光増幅器チップに入力した光信号 A, B＝ 光子 A, Bが、pn接合周辺の高濃度な電子･正孔対（ふだんはキャリア
と呼ぶ）に超高速に強く相互作用する。その反作用を上手に利用･設計することにより、光信号Aが光信号Bをデジタル的に制御する「全光ロジックゲート動作状態」が、実現する。
- *3 光応答時定数には、半導体チップ構造や動作条件パラメータに応じて、100ピコ秒前後、10ピコ秒前後、2ピコ秒前後と、様々な時定数領域と物理要因が存在する。右図の速い波形の緩和時定数（約15ピコ秒）は、60GHz信号の周期に相当する。我々の全光ゲートは、電子の拡散時間や走行時間に制約されにくいため、速い。
- 本学では2005年から、2ピコ秒要因に関する実験研究･設計研究も開始した。少しずつだが．．．
- なお、光が2ピコ秒の間に進む距離は、わずか0.6ミリメートルである。
- *4 応答特性研究と並んで、各種の全光ゲートが消費する直流バイアス電力に関する将来構想も、重要な基本テーマである。消費電力を決定する要因は、上述の光子･電子相互作用に関わる量子変換効率など。
- 最近の研究成果発表
- J. Sakaguchi, Y. Ueno, K. Nishimura, and T. Yazaki, 'New method for characterizing the injected-carrier-to-photon conversion efficiencies inside the ultrafast all-optical semiconductor gates,' Optical Amplifiers and their Applications (OAA 2006), June 25-28, 2006, Whisler, Canada, paper no. OTuC4. abstract , full text
- 坂口淳、上野芳康、西村公佐、矢崎智基、「超高速全光ゲート動作中の半導体光増幅器内部の電子−光子変換効率」、第67回応用物理学会学術講演会、2006年8月、立命館大学、滋賀県草津市、vol. 3, p. 1079, 30a-ZX-10。 予稿論文
- 坂口淳、Ferran Salleras、上野芳康、「超高速全光ゲート動作中の半導体光増幅器内部の電子−光子変換効率 （COE研究学生代表口頭講演）」、東京農工大学・電気通信大学21世紀大学COEプログラム第３回合同シンポジウム、2006年12月、電気通信大学、調布市、paper no. P60, p. 74。予稿論文
- *1 半導体光増幅器チップの標準的な寸法は半導体レーザチップと同様に、幅300μm、厚さ100μm、長さ500〜1,000μmと、"超"小さい。企業の製造部門や研究所では、大型のMOVPE成長装置、ステッパー露光装置、ドライエッチング･ウェットエッチング加工装置、電極金属蒸着装置、ヒートシンク融着装置など多数の装置を使って、半導体ウェハーからチップへと製作する。「研究試作品」の場合は手作業が多く（＝意外と、半導体レーザ製作よりさらに手間がかかる）、標準で2, 3週間を要し、大学院研究レベルでは少なからぬ負担になる。
- *5 どれくらい高速な光波形を計測できるかは、光研究の世界では、パルス光源のパルス幅で決まる。我々の0.2ピコ秒のパルス光源を使えば、原理的には、0.2ピコ秒の時間分解能で波形計測することが可能である。
- *6 (旧) フェムト秒テクノロジー研究機構の研究グループは、産業総合技術研究所(AIST)に移り、研究継続中。電通大は昨年から、筑波大･産総研･NEC研究所ほかと、共同研究を開始した。産総研･筑波大が研究試作したフォトニックナノ結晶･量子ドット融合導波路･回路を、我々電通大が特性評価研究し、InGaAsP材料との比較研究を重ね、全光ゲート回路の未来ビジョンを作り上げていく。
- *7 光ファイバー本体（直径 125ミクロン）の水平位置を高精度に調整し、光パルス信号を、フォトニックナノ結晶導波路（幅0.35ミクロン）へ、さらに導波路に埋め込まれた量子ドット(0.010ミクロン × 0.040ミクロン)の高密度集合体へ、入力する。
- なお、本研究のフォトニックナノ結晶導波路は、深さ2ミクロン、幅15ミクロン程度の「中空なトンネル」の上に浮かせてある。これは、光信号と量子ドット集合体を高効率に相互作用させるため、である。
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未来の光情報システムを目指す、新しい光回路と光材料の研究
応用目的はデジタルシステム、実際の研究内容の大半はアナログ（対象、方法、解析）
研究テーマは、光信号処理的な領域から光材料物理的な領域まで
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