超高速で省エネルギーな光半導体ゲート
Ultrafast, low-power-consumption,
semiconductor-waveguide-based,
all-optical gates
InGaAsP waveguide on InP substrate
10 GHz ～ 100 GHz ～ 1,000 GHz (1 THz)の信号を動かす世界

上野 芳康
電気通信大学 電子工学科
http://www.ultrafast.ee.uec.ac.jp/

木村一色上野研究室合同セミナー
2008年4月4日
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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

→ [TDM×WDM] 周波数”光伝送”は、1990年代に1Tb/s, 10Tb/s達成

従来の『光』通信研究

TDMの1Tb/s伝送(2000年)
エレクトロニクスは40Gb/s

WDMの10Tb/s伝送(2001年)→ TDM周波数

WDMスペクトル

高速エレクトロニクスは、現在も将来も、・ 40～100 Gb/s = 5ピコ秒まで？
・ 消費電力が増大？！

通信・コンピュータの最速部に、もっと光を！
2

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

最速・最大規模の電子ルータ(CISCO社製）

3

通信・コンピュータの最速部に、光を！
現在全ての光通信
光と物質電子の超高速相互作用は、きわめて弱い。
（マイクロジュールパルスSWならば、30年前すでに）

研究目標
紀
２ １世

は

光処理

光処理

光処理

・ 消費光エネルギー < 0.1 pJ/bit

光伝送

光伝送

・ ビットレート= 160 Gb/s ～ 1 Tb/s
（応答速度 < 2 ps)

・ 消費電力 < 10 pJ/bit
電子処理

電子処理

電子処理

・ その後に、光回路集積『超高速 高効率 集積』の３つ を兼ね備える材料と方式 ＝ 半導体！
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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

半導体導波路を利用する

320 Gb/s 光ゲートと消費電力、TU Eindhoven (2006年)
SMZ-DISC構造 (Blue-BPF付加）

TU Eindhoven, Cobra,Liu, de Waardt, Dorren, et al., OFC 2006
PDP-28

世界最速：640-Gb/sゲート実験
現在進行中。
（アイントホーフェン工大）

消費光エネルギー = 0.2-0.3 pJ/bit 程度
消費電力(dc)= 800mW/320G= 2.5 pJ/bit

光波形歪や消費エネルギーの原理的理解と設計手法が、まだまだ未熟。
⇒⇒ 地道に研究進行中（電気通信大学）
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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

SMZ, SMZ-DISCゲート構造は、日本のオリジナル＝量子的な半導体材料 と 光波的な導波路回路 で 超高速化
（日米欧で殆ど同時進行）

SMZ-DISC構造
1998～

Holes

SMZ構造
1993～

Semiconductor Optical Amplifier(SOA)

Optical pulses

Amplified pulsest

光出力波形
干渉前

ResonantBand-filling（高効率な動作原理）

干渉後(DISC, 1998)
6Electrons

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

１ビット信号処理当りの”消費電力”
半導体光アンプ方式 vs. 光ファイバー方式、今後の展望
半導体共鳴方式
光ファイバー方式>100 pJ/bit

1 nanoOEO方式消費電力(dc),EB (Joule/bit)

O-E-O方式

1 pico？

高非線 光信形(L光 号処短=
1 m 尺な ファ 理
5～30pJ/bit, γ HN イバ=3 L ー
電子数 7×107個／ビット
0 W Fで 方式

光信号処理
半導体光アンプ方式、L << 10 mm
100M

1G10G

100G

1T

Bit-rate, BR (b/s)

10T⋅km-1-1)

電子情報通信学会 PN研究会
チュートリアル講演会
2007年12月6日

7Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

半導体SMZ, SMZ-DISCゲート研究の、展開と交流IEEE LEOS, OSA(OFC, ECOC, CLEO, IPRM)

MIT LL、MIT
Princeton Univ.
Bell Holmdel
UCSB
UC Davis
UCLA
Alphion社

BT研
ETH
Denmark工大
HHI
CIP社

NEC研/FESTA(NEDO)
KDDI研
東大
三菱研 (NEDO)
東工大

筑波大学、産総研

Eindhoven工大
Univ. Cork*) 光半導体集積試作施設も、強い。

電気通信大学（独自研究を）（中国・インドは、まだ）

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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

国際学会出張、上野研 2002-2007

ドクター学生は必ず、マスター学生もできれば、狙ってくださいネ！

2006

2002
2007

2002
2007
2005
2006

2005
2006

2007
2005

2004
2005 2003
2006
2007

2002-2007, UOLL, UEC, Tokyo

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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

半導体、光集積導波路回路の世界
Courtesy from Prof. M.K. Smit (invited talk, 2005)⇒ 最近は、分散補償モードロックレーザも大学にとっては、半導体は重い？ 高い？
⇒⇒ 未来があり、そして、やり方次第！
10Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

１歩ずつ歩んできた光ゲート研究、次の５年間に （電通大で）Sakaguchi, et al, Optics Express 2007

② 材料の第1時定数(τ )は、1消費電力決定要因では無い？

不純物加速 vs. 光加速の動力学

Ueno, Nakamoto, et al, Optics Express 2006

① 材料共通の第2、第3時定数(τ , τ )を、23光回路で解決しよう
光スペクトル合成 （UEC-NICT共同）*) フォトニック結晶と相性③ 将来の超小型回路を見据え、電子励起から光励起の省電力性
11Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

光ゲートの応用研究： 独自のモードロックパルス発生(1) 2-ps, 40-GHzパルス発生 (Δt⋅Δf= 0.53)
Suzuki et al., CLEO 2006

Auto-correlation Signal
Intensity ( mV )20200Intensity (dBm)

Auto-correlation Signal
Intensity ( mV )20

Auto-correlation Signal
Intensity ( mV )(2) パルス発生閾値特性（原理確認）
100-50 -25

02550-20-40-60(3) Gloop> 0dB-80
1553

1554

1555

1556

1557

Wavelength (nm)Delay (ps)Intensity (dBm)

0100-50 -25

025-20-40-60-8050

1553

1554

1555

1556

1557

Wavelength (nm)Delay (ps)(2) Gloop≥ 0dB
near threshold

Intensity (dBm)

0100-50 -25025Delay (ps)50-20-40-60(1) Gloop< 0dB-80155315541555

1556

Wavelength (nm)

1557

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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

日刊工業新聞 掲載（2008年3月25日付け第１面）
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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

SMZ-DISCモードロックパルス： 次の５年間に② 特徴を活かして、① 640Gb/s用パルス信号源へ半導体集積回路化（共同研究）、正反対に、low-endなσ共振、FP共振（計測用）

半導体のband-to-band遷移さえあれば、SA不要。 どの帯域でもモードロック可能?!

超小型集積可能な 10THz 光コム発生（NICT、AISTにご相談中．．．）③ 特徴を活かして、緑～近紫外でモードロックパルス発生
14Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

Photonic-crystal/quantum-dot-integrated SMZ gate for FF memory

Output Signal

筑波大学・産総研

DC

Photonic Crystal

Light propagation

DC

Control Pulse
Signal Pulse
Control Pulse

QD-Based Large
NL (χ3) Media

Monolithic SMZ by FESTA, Optics Express 2004

Targets: Very small and low-power
Application: FF memory

光位相緩和特性評価装置、
電通大W7-513
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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

超高速な光半導体ゲートの、動作設計モデルの成功例
SMZ方式、1993～

waveforms
in the log scale

meas.

DISC方式、1998～meas.

calc.

Ueno et al., 2001-2002
ECOC, IE3 PTL, IEICE Trans.

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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

超高速な光半導体ゲートの、動作設計モデルの成功例
Sakaguchi, et al.
Jpn. J. Appl. Phys. Oct. 2005

waveforms
in the log scalecalculated

measured

デバイスモデルの骨格は：半導体材料のバンドフィリング効果
入力光パルス ⇒ 励起電子密度が過渡応答 ⇒ 屈折率が過渡応答 （非線形光学応答）⇒ 導波光に光位相シフトが発生 ⇒ 出力光パルスが発生する
現在までに、時定数 2ps、周波数 200GHz、光相対強度103程度までの妥当性が検証されている。
⇒ 研究開発にとっても、実用的な光デバイス回路設計にとっても、モデルが必須である。
今後、1ps以下、200GHz以上の高速領域へと、拡張を続ける。
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Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

日本と世界の情報通信産業が、光半導体固有の超高速・高効率特性を、！

どれくらいまで大きく育てられるか楽しみ

現在～今後5年間

今日の、個別発表内容

200GデータパルスのDISC変換実験、超高速データ発生と計測を含む。（坂口）40Gクラスの光双安定メモリー材料特性評価、ナノ光導波路を利用。 （本間）500Gクロックパルス段階の初歩的DISC変換
200GデータパルスをXOR演算（平易な偏光保持伝送を前提に、ゲート先行）

1ps, 40～160G高純度クロックパルス光源
XPM蓄積し、光周波数コム帯域を5THzへ拡大

2ps, 10GHzクロックパルス光源を高純度化。（竹内）Intensity (dBm)

500Gクラス材料共通の第2・第3時定数(τ2, τ3)を解決する光回路設計と基礎実験開始。（西田）（私達の目安と役割）

-20
-40
-60
-80
1548

1549

1550

1551

Wavelength (nm)

（光集積協力候補： NTT、TU/e、TU Denmark）
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