フォトニック結晶/量子ドット材料を利用した小型集積光導波路回路のピコ秒高速応答特性評価研究
2008/04/04
木村･一色研、上野研合同セミナー

上野研究室 修士２年 本間 正徳
Ferran Salleras、坂口 淳、上野 芳康
1Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

発表内容
• 背景
• 目的
• サンプルの概要• 実験構成• 測定方法
• 結果
• まとめ

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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

背景：全光通信に向けてのデバイス開発
現在：光‐電気‐光変換をする為、処理速度に限界（40Gb/s）
通信の高速化、大容量化の需要大将来（全光通信）：光‐光変換による処理速度の限界突破（40Gb/s以上）
全光スイッチングデバイス
特徴：小型･集積化、超高速動作、低エネルギー動作

フォトニック結晶（PC）、量子ドット（QD）が注目
PC: 強い光閉じ込め効果、スローライト効果
QD: 低飽和エネルギー→ e.g. PCとQDを融合させた（PC/QD）ナノ構造光導波路
3Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

背景：全光スイッチ
非線形アーム（非線形性媒質から成る） T

制御光１（CP-ON）①・小型・集積化光回路②

制御光２（CP-OFF）

キャンセ

①T

CP-ON

・超高速動作 → ~ps, ≥ 40Gb/s
・超低エネルギー動作 → ~100fJ

信号光（SP）

T

PC/QD-SMZ②→ 500µm×500µm
Output Signal
DC

Photonic Crystal

CP-OFF
DC

対称マッハツェンダ型（SMZ）スイッチの原理
K. Tajima, JJAP, 1993.

Control Pulse
Signal Pulse
Control Pulse

制御光（ポンプ光）が非線形アームにおいて吸収され、屈折率変化が生じる

QD-Based Large
NL (χ3) MediaH. Nakamura et al., Opt. Exp. 12, 6606, 2004.

PC/QD-FF（Flip-Flop）

信号光（プローブ光）の位相φが変化する

K. Asakawa et al., New J. Phys. 8, 208, 2006.
4Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

目的PC/QDを用いた全光スイッチ実用化に向けて、超高速・超低エネルギー動作におけるPC/QD光導波路のキャリアの振る舞いを解明する•実験装置の構築（ヘテロダイン方式）•強度変化・位相シフト量の測定

FUTURE
PC/QD-SMZ や -FF 回路おける超高速・超低エネルギー動作の実現→ 10fJ/pulse で動作する40-Gb/s 光メモリ
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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

サンプルの概要
(b)

(a)
250nm

フォトニック結晶
300nm

Air-bridge (2µm)

導波路
フォトニック結晶

(c)
(d)
250nm
Air-bridge (2µm)

QDlayers
GaAs core-layer(250nm)2次元 PC（GaAs）とQD（InAs）を融合させたエアブリッジ型光導波路(a) 入出力ポート（旧サンプル）(b) サンプルの表面：空気孔（半径: 110nm）中に線欠陥（導波路）を持つ(c) サンプルの断面：各層のドット密度は4×1010cm-2(d)入出力ポート（新サンプル）：レンズ + テーパー型構造（SEMによる写真、提供：筑波大TARAセンター）＊ ダメージ閾値：2〜3mW
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実験構成
Lensed-fiber

BS MO

MO

Lock-inamp.
Photoreceiver

Sample500µm

Delay stage BPF（顕微鏡越しの写真）

MO

AOM (Frequency, ω1: 78.7MHz)

Lens

BS
(Frequency, ω2: AOM81.2MHz)

QH(Reference)
Reference(Pump)
Pump

BS(Probe)
Probe H
OPO: 光パラメトリック共振器
AOM: 音響光学変調器
PBS: 偏光ビームスプリッタ
SMF: シングルモードファイバ
BPF: バンドパスフィルタ
MO: 対物レンズ
H: λ/２波長板
Q: λ/４波長板BPF
Q
Delay stage
MO PBS
SMF
MO

H（西７号館５１３号室の様子）

OPO(Repetition rate: 80MHz, Pulsewidth: 150fs)

２色サブピコ秒ヘテロダイン方式ポンプ･プローブ計測法の構成図
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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

測定方法
ポンプ･プローブ
計測法

CB

ポンプ光の条件

e-ES
e-GS

波長：QDの吸収ピーク波長
パワー：プローブ光より大ポンプ光
プローブ光
VB

h-GS
h-ES

量子ドットのエネルギーバンド図

ヘテロダイン方式

e：電子、h：正孔
GS：基底準位、ES：励起準位
CB：伝導帯、VB：価電子帯

E ref = Pref cos{(ω + ω1 )t} ･･････････････････････････参照光E pro = Ppro (t , Ppump ) cos{(ω + ω 2 )t + φ (t , Ppump )} ・・・･･プローブ光I beat ∝ ( E ref + E pro ) 2 ･････プローブ‐参照光間のビート信号の強度→ I beat ∝ PrefPpro (t , Ppump ) cos{(ω1 − ω 2 )t + φ (t , Ppump )}上式より Ppro(t, Ppump)、φ(t, Ppump) がポンプ光に依存→ポンプ光とプローブ‐参照光間のビート信号を干渉させる事により、強度変化と位相シフト（屈折率変化）量を同時に観測可能
今回はAOMの周波数ω1、ω2を各々78.7MHz、81.2MHzに設定した

8Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

432
1

with PC/QD 200
w/o PC/QD
Noise levelat with PC/QD
100440fs
360fs

000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Probe/Reference delay time (ps)プローブｰ参照光間における時間パルス幅
時間分解能：〜440fs
ダイナミックレンジ：9〜15dB

20011000.5

0〜1.3ps
Amplitude
0Phase051015

Delay time (ps)20

SOAの強度と位相シフト量
1.3µm-SOA (InPhenix) @ 150mA→ τphase= ~300ps
ポンプ光: 1.25pJ/pulse @ 1310nm
プローブ光: 20fJ/pulse @ 1330nm
9Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

Phase (deg.)

5

Peak power (nW)Normalized amplitude (a.u.)

Peak power (nW)

結果：実験装置の性能

結果：キャリアダイナミクス（強度、位相シフト量）
①0.08
②0.06
0.04

③0.02
0

Pump energy
150fJ/pulse
100fJ/pulse

050 100 150 200 250

Phase shift (deg.)

Amplitude (a.u.)

0.1+80①+60+40

Pump energy
150fJ/pulse
100fJ/pulse②+200-20050 100 150 200 250

Pump/Probe delay time (ps)
強度変化

Pump/Probe delay time (ps)①②③
緩和時間：18ps + 30ps + 80ps
緩和時間：13ps + 23ps + 115ps①②
緩和時間：60ps + 90ps
緩和時間：40ps + 100ps

位相シフト量ポンプ光ー波長：1300nm、入力パワー：150fJ/pulse、100fJ/pulse
プローブ光ー波長：1310nm、入力パワー：7.5fJ/pulse

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まとめ
目的：実験装置の構築、PC/QD光導波路の測定•実験装置：時間分解能→ 〜440psの性能ダイナミックレンジ→ 〜10dB•動作結果：強度変化→ ３つの緩和時間領域の確認
位相シフト量→ 当研究室において初
今後の課題•位相シフト測定におけるノイズの減少•サンプルのパワー依存性、波長依存性•他サンプルとの比較（バルク-SOAなど）

11Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

12Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

付録１：PC/QD-FF
λ1

SW-2

λ2

QD

DC

Clo c k o r CW

DC

DC

A2

A2

A3

A3

DC
DC

500µm

A1S
B
R

S
YJunction

B
DC

Q
SW-1

A1

DCQ

DC
Directional Coupler(DC)R

T Feed-back
500µm

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付録２：PC/QDサンプル

MEB g rowth

EB & RIBE drye tc hing

We t e tc hingCl2 -RIBE

HF we t e tc hing

GaAs c o re
AlGaAs c lad
GaAs s ub.

EB litho g raphy
N. Ikeda et al., IPRM. 19, ThB1-4, 2007.

N. Ikeda et al., SST. 22, 149, 2007.

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付録３：サンプルの基礎特性
1.05

10.95

Intensity [arb.u.]
Intensity(a.u.)

40000

30000

Center: 1290nm
FWHM: 32meV

0.9

Center 1290nm
FWHM 32meV

20000

10000

ESGS

1200

1300

01100

1400

Wavelength [nm](nm)Wavelength

QDのPLスペクトル＠室温（GS: 基底準位、ES: 励起準位）

PL発光ピーク波長: 1290nm
FWHM: 32meVTransmission (dBm)

1.1Photonenergy
Photon energy[eV] (eV)-10-20

QD absorption-30 peak-40-50-60

PC transmission
window
1280
1320
1360

Wavelength (nm)

PC/QDサンプルの透過スペクトル
QD吸収ピーク波長: 1290nm
PCの透過窓: 80nm（1280〜1360nm）
15Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

付録４：性能（ダイナミックレンジ）

Peak power (dB)-20

Measured
Calculated
Noise level-30-40-50●

PC/QD waveguides-60-90-80-70-60-50-40

Probe power (dB)-30
16Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

Probe intensity (a.u.)

付録５：旧装置の結果
300

Recovery time
119ps
94ps
84ps

200
1000050100150

Pump/Probe delay time (ps)Pump: 150fJ/pulse at 1280nm
Probe: 0.1fJ/pulse at 1310nm
Pump: 52.5fJ/pulse at 1280nm
Probe: 0.25fJ/pulse at 1300nm
Pump: 150fJ/pulse at 1280nm
Probe: 0.625fJ/pulse at 1310nm
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付録６：実験装置の安定性
500with coverw/o coverPhase (deg.)

090
60300-30-60-90
0Real time (s)250100200

Pump/Probe delay time (ps)18

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