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発表・掲載日:2004/10/29

II-VI族半導体材料を用いた超高速半導体光スイッチの試作に成功

-超高速光通信の研究開発を加速-

ポイント

  • 超高速半導体光スイッチ実現の鍵を握る1.55µm光通信波長帯に対応した半導体量子井戸中のサブバンド間遷移を、II-VI族半導体材料としては世界で初めて実現
  • 上記技術を利用し、1Tb/s級の世界最速レベルの超高速動作と低スイッチングエネルギーを両立させた「サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチ」のファイバー入出力モジュールの試作に成功
  • 400Tb/s級の次世代超高速・大容量光通信の研究開発を加速

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 吉川 弘之】(以下「産総研」という) 光技術研究部門【部門長 渡辺 正信】は、1.55µm(1マイクロメートル:100万分の1メートル)の光通信波長帯に対応したサブバンド間遷移II-VI族半導体材料を用いた量子井戸としては世界で初めて実現し、このサブバンド間遷移を利用した世界最速レベルの超高速スイッチ動作と低スイッチングエネルギーを両立させた「サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチ」の試作に成功した。これにより、400Tb/s(テラビット/秒)級の次世代超高速・大容量光通信の研究開発が加速されるものと期待される。

 近年インターネットをはじめとした情報トラフィックは急増しており、大容量・高速通信を可能とするフォトニックネットワークの構築は急務の課題となっている。現在、大容量光通信を実現するためチャンネルの数を増やす努力とともに、チャンネル当たりの伝送速度を上げる努力もなされている。しかしチャンネル当たり約160Gb/s(ギガビット/秒)以上の伝送速度においては、電子デバイスの速度限界から現行の送受信の信号処理を電気回路で行う方式をそのまま続けていくことは困難であると考えられている。そのため160Gb/s以上の信号処理においては光信号を電気信号に変換せずにそのまま信号処理を超高速に行うことが必要となる。この実現の鍵を握るのが「超高速光スイッチ」の開発である。しかし、電子とホールを利用する通常の半導体光デバイスを光スイッチとして動作させたとしても、電子とホールの再結合に時間がかかるため、動作速度が1ns(1ナノ秒:10億分の1秒)程度になってしまう。そのため160Gb/s以上の信号処理を行うのに必要となる約6ps(1ピコ秒:1兆分の1秒)以下の高速動作を実現するのは困難であった。これを解決する手段として、電子だけを半導体量子井戸に閉じ込めて、そのときに形成されるエネルギーレベル(サブバンド)間の光学遷移を利用すれば、原理的には1ps前後の高速動作が可能であることが提案されていた。ところが従来の光通信用半導体光デバイスにおいて使われてきた半導体材料を用いても、量子井戸のサブバンド間遷移波長を光通信波長帯に対応させることが困難であり、新しい半導体材料の開発が必要であった。

 今回、産総研は分子線エピタキシー法による高品質結晶成長技術を利用し、II-VI族半導体材料をベースとした半導体量子井戸としては、世界で初めて光通信波長帯に対応したサブバンド間遷移を実現することに成功した。さらに光導波路構造作製プロセスの開発を行い、II-VI族半導体量子井戸を利用した「サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチ」のモジュールの試作に成功した。試作に成功した「サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチ」は、世界最速レベルの~200fs(1フェムト秒 :1000兆分の1秒)の超高速動作と同時に、10pJ(ピコジュール)の光入力で5.1 dB(デシベル)の消光比という低消費スイッチングエネルギーでの動作が可能なことから、本成果は超高速光スイッチの実用化に向けた第一歩を踏み出したものといえる。

 今後は、スイッチングエネルギーのさらなる低減化(1pJ以下)を行うため、量子井戸構造、光導波路構造の設計の改善を行っていく予定である。また、光通信実験システムに適用し、スイッチ機能の実証を行っていく予定である。

 本成果は、2004年11月2日に東京で開催される、「超高速光技術シンポジウム」フェムト秒テクノロジープロジェクト最終成果報告会で発表する予定である。



研究の背景

 大容量光通信システムは、IT技術の進展とともに益々その発展が要請されている。2015年頃には400Tb/s級の超大容量通信トラフィックが必要になると考えられており(「2001年度光テクノロジーロードマップ報告書-情報通信分野-」(財)光産業技術振興協会)、これを支える技術として高密度波長分割多重(DWDM)システムと1Tb/s級の光時分割多重(OTDM)システムを融合したフォトニックネットワークシステムの実現が期待されている。このためには、従来から行われてきた、光信号を電気信号に変換後、信号処理を行い再び光信号に戻すという処理を行っていては、1Tb/s級の信号処理に対応できないため、光信号を電気信号に変換せずに光信号のまま信号処理動作を行う「超高速光スイッチ」の開発が最重要課題の一つとなっている。しかし、従来使われてきた電子とホールを利用した半導体光デバイスでは、両者が再結合するのに時間がかかるため動作速度が1ns程度になってしまい、上記の要求を満たす超高速動作を実現するのは困難であった。これを解決する手段として、電子だけを半導体量子井戸に閉じ込め、そのときに形成されるエネルギーレベル(サブバンド)間の光学遷移を利用すれば、原理的には1ps前後の高速動作により1Tb/s級の信号処理が可能であることが提案されていた。ところが、従来の光通信用半導体光デバイスにおいて使われてきた半導体材料を用いても、量子井戸のサブバンド間遷移波長を光通信波長帯に対応(2µm以下の短波長化)させることが困難であり、新しい半導体材料の開発が必要であった。

研究の経緯

 産総研は、経済産業省のプロジェクト「フェムト秒テクノロジーの研究開発」(平成7~16年度)において、各種の超高速光デバイス・評価技術の研究開発を行ってきた。この中で、平成12年度よりII-VI族半導体サブバンド間遷移光スイッチの研究開発に取り組んできた。

研究の内容

 産総研は、II-VI族半導体材料としては世界で初めて、光通信波長帯に対応した半導体量子井戸中のサブバンド間遷移を実現することに成功した。さらにこれを利用した光導波路デバイス作製プロセスを開発し、超高速動作と低スイッチングエネルギーを両立させた世界最高性能を有する「サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチ」モジュールの試作に成功した。

(1) 光通信波長帯に対応したサブバンド間遷移波長をもつ半導体量子井戸構造の開発に成功した。

 サブバンド間遷移を光通信波長帯で実現するには、量子井戸がおよそ2eV(電子ボルト)と十分に深くなければならない。産総研は、II-VI族半導体の硫化カドミウム(CdS)とテルル化ベリリウム(BeTe)のヘテロ界面伝導帯バンドオフセットが3.1eVと特異的に大きいことに着目した。分子線エピタキシー法により、これらの半導体で構成される量子井戸構造をガリウム砒素(GaAs)基板上に作製した結果、1.55µm光通信波長帯にほぼ一致したサブバンド間遷移による光吸収を観測することに成功した【図1参照】。その際CdSとBeTeの界面に、1 ~ 2原子層のセレン化亜鉛(ZnSe)中間層を挿入し、CdS/ZnSe/BeTe量子井戸構造とすることにより、原子レベルで平坦なCdS/BeTe界面を形成できることを発見した。サブバンド間遷移波長を光通信波長帯の1.55µm程度まで短波長化するためには、CdS井戸層幅は3原子層程となり、原子層レベルでの膜厚制御が必要となる。この界面平坦化技術の開発が今回の成果につながった。さらに同様な構造で、光スイッチとしての動作速度を評価したところ、~200fsであることがわかり、期待通りの超高速動作を示すことを確認した。

 

サブバンド間遷移波長1.57μmを示すCdS/ZnSe/BeTe量子井戸構造の伝導体エネルギー構造と断面透過電子顕微鏡写真画像
図1 サブバンド間遷移波長1.57µmを示すCdS/ZnSe/BeTe量子井戸構造の伝導体エネルギー構造と断面透過電子顕微鏡写真

(2)上記のII-VI族半導体量子井戸をスイッチ層とする光導波路作製プロセスを開発し、光ファイバー入出力可能な「サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチ」モジュールの試作に成功した。

 上記のII-VI族半導体量子井戸を多重に積層した多重量子井戸スイッチ層中に、光パルスを数平方µmの空間に閉じ込めて数百µmにわたって伝播させることが可能な光導波路構造が作製できれば、スイッチングエネルギーを低減化することが期待できる。これは、狭い空間に光を閉じ込め長く伝播させると、光の強度が強い状態を長い距離にわたって持続させることが可能となり、スイッチングの効率が良くなるためである。さらに通信システムへ適用可能なモジュール化を行う観点からも、通常の信号の入出力に使用されるシングルモード光ファイバーとの光結合が容易となる光導波路構造の作製は重要である。光を多重量子井戸スイッチ層に閉じ込めるためには、多重量子井戸スイッチ層の屈折率より若干小さな屈折率を持つ材料で形成されたクラッド層により、多重量子井戸スイッチ層を両側から挟んだ構造が必要となる。本研究では、光を閉じ込めるためのクラッド層の材料としてZnSeにマグネシウム(Mg)とベリリウム(Be)を加えた四元系材料ZnMgBeSeを採用し、CdS/ZnSe/BeTe多重量子井戸層を両側からサンドイッチした3層構造を結晶成長させることに成功した。高品質の結晶成長を行う上で基板と膜との結晶格子の寸法を一致させる格子整合条件は重要なポイントであるが、クラッド層の材料にZnMgBeSeを採用することによりGaAs基板に格子整合させながら、バンドギャップおよび屈折率を目的にあった組成にして結晶成長させることが可能となった。次に多重量子井戸スイッチ層に閉じ込められた光の通路を限定するため、この3層構造膜を数µm幅のストライプ状の部分だけを残して塩素系ガスでドライエッチングし、光導波路型構造を作製するプロセスの開発を行った【図2参照】。さらに、これを利用した「サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチ」のモジュール試作に成功した。このモジュールでは、光ファイバーにより、光信号の入出力が可能なように設計されており、各種通信実験システムでのスイッチ機能の実証が可能である【図3参照】。今回試作に成功した「サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチ」は、世界最速レベルの~200fsの超高速動作と同時に、10pJの光入力で5.1dBの消光比という低スイッチングエネルギーでの動作が可能なため、次世代光通信システムに向けた各種実験システムでの利用が可能である。スイッチングエネルギーについては、実用化の上でさらなる低減化が課題であるが、今回の量子井戸構造および光導波路構造にはまだまだ改善の余地が残されており、現在の10分の1程度まで改善できる見通しである。

 

 今回試作に成功した「サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチ」は、世界最速レベルの~200fsの超高速動作と同時に、10pJの光入力で5.1dBの消光比という低スイッチングエネルギーでの動作が可能なため、次世代光通信システムに向けた各種実験システムでの利用が可能である。スイッチングエネルギーについては、実用化の上でさらなる低減化が課題であるが、今回の量子井戸構造および光導波路構造にはまだまだ改善の余地が残されており、現在の10分の1程度まで改善できる見通しである。


作製したハイメサ光導波路構造チップとサブピコ秒制御光入力に対するスイッチ特性図
図2 作製したハイメサ光導波路構造チップとサブピコ秒制御光入力に対するスイッチ特性
 
光スイッチ動作の概念図と試作したモジュールの図
図3 光スイッチ動作の概念図と試作したモジュール
 

今後の予定

 サブバンド間遷移超高速半導体光スイッチの動作速度については十分に満足のできる性能が得られている。今後は、スイッチングエネルギーのさらなる低減化( 1pJ以下)を行うため、量子井戸構造、光導波路構造の設計の改善を行っていく予定である。また、光通信実験システムに適用し、スイッチ機能の実証を行っていく予定である。


用語の説明

◆サブバンド間遷移
量子井戸構造をつくった際に、元の半導体バンド構造の中にできた、さらにいくつかの小さなバンド構造のことをサブバンドという。そのサブバンドの間で起こる電子の励起のことをサブバンド間遷移という。サブバンド間遷移を利用したデバイスでは原理上、電子だけを使う。電子とホールが再結合するのを待つ必要がないので、超高速動作が可能となる。[参照元へ戻る]
◆II-VI族半導体
周期律表のII族とVI族元素から構成される半導体。II族元素としてはマグネシウム・亜鉛・カドミウム・水銀が、VI族元素としては酸素・硫黄・セレン・テルルがよく用いられている。[参照元へ戻る]
◆量子井戸
バンドギャップの小さな半導体をバンドギャップの大きな半導体で挟むと、電子はバンドギャップの小さな半導体に閉じ込められる。膜に垂直な方向の電子の運動が量子化されて、離散的なエネルギーをもつようになる。このような特性をもつ構造を量子井戸という。[参照元へ戻る]
◆光スイッチ
原光信号のON/OFFを行うデバイス。本研究で用いる光スイッチは、制御光が照射されることにより、デバイスのゲートが開き信号光がデバイスを透過するという動作が行われる。ゲートがいかにすばやく閉まるかという特性がスイッチの応答速度を決め、ゲートが開く効率が、スイッチ消費エネルギーを決める。サブバンド間遷移を利用した光スイッチの原理とは、以下のようになる。量子井戸の第一準位の電子が制御光を照射すると、第二準位へたたき上げられる。第二準位に電子が留まる時間内だけ、吸収飽和効果により素子の光透過率が上がる。第二準位へ上げられた電子は、光学フォノンを放出して第一準位へ戻るため、この間だけ光のゲートが開くことになる。この現象を利用して、制御光により信号光をオン・オフのスイッチングさせることが可能になる。ワイドギャップII-VI族半導体では、この時間を1ps以下に短縮できると期待されている。[参照元へ戻る]
◆分子線エピタキシー法
超高真空中で行う分子線強度を精度よく制御した蒸着法による薄膜結晶成長法のこと。[参照元へ戻る]
◆光導波路
光を閉じ込めて伝播させるための構造。[参照元へ戻る]
◆消光比
光の切り替えに伴うスイッチがONの状態とOFFの状態の光強度の比のこと。[参照元へ戻る]
◆高密度波長分割多重(DWDM:dense wavelength division multiplexing )方式
光ファイバーを使った通信技術の一つ。波長の違う複数の光信号を、狭い波長間隔で高密度に同時に利用することで、光ファイバーを多重利用する方式。波長の異なる光ビームは互いに干渉しないという性質を利用している。この技術により、光ファイバー上の情報伝送量を飛躍的に増大させることができる。[参照元へ戻る]
◆光時分割多重(OTDM:optical time division multiplexing )方式
光ファイバーを使った通信技術の一つ。同じ波長をもつが、異なる送り先の光信号を時間スロットでわけて多重化する方式。光スイッチ等の信号処理に要する時間を短くできれば、より多くの信号を同じ波長に詰め込むことが可能となる。この技術により、光ファイバー上の情報伝送量を飛躍的に増大させることができる。現在のシステムでは、伝送部分には光信号が用いられているが、ルーティングやアド・ドロップの処理には光信号を電気に変換して処理を行い、再び光信号に戻す処理が必要となる。[参照元へ戻る]
◆ヘテロ界面
異種半導体同士を接合したときにできる界面のこと。[参照元へ戻る]
◆伝導帯バンドオフセット
異種半導体同士を接合した界面において、伝導電子が感じるポテンシャルのこと。[参照元へ戻る]
◆ドライエッチング
プラズマ化した化学活性度の高い励起状態にある原子あるいは分子を利用して、材料を加工する方法。[参照元へ戻る]

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