高速･高効率なナノ半導体とバルク半導体の光位相変調度と速度の計測評価研究
電子工学専攻上野研究室 本間 正徳

1. はじめにPC で構成し、非線形媒体部分に QD を使用

現在の光通信システムは、送信した光信した構造をしており、更に、10 fJ で動作す号を一度電気信号に変換し、電気的な処理る 40-Gb/s 全光フリップ･フロップ(FF)メモを施した後、再び光信号に戻す形式である。

リの提案もされている。

その為、電子の動作速度限界により通信速上位目的として、この PC/QD 全光 FF メ度が制限(40-Gb/s)を受ける。今日、通信速モリに代表される次世代全光スイッチング

度の高速化･データの大容量化という要求素子の実用化の為に、ナノ半導体光導波路が高まる中、電気的処理を介さない全光信内のキャリアの振る舞いの解明を掲げてい号処理技術の研究が盛んに行われている。

る。その中で、ナノ半導体とバルク半導体

全光信号処理をするに当たり、全光スイッの光位相変調度と光強度変調度の波長依存チング素子は重要要素の 1 つであり、小型性に注目した。共同研究先である筑波大学

集積化･高速動作･低エネルギー動作といっがナノ半導体の評価を担当している事もあた課題が挙げられる。現在、汎用性が高い･り、我々はバルク半導体における波長依存広範囲の波長に対応可能という理由から、性の評価を行う事にした。

バルク型の半導体光増幅器(SOA)が研究･開

本研究では、スイッチング動作に必要と発段階で多く使用されている[1]。将来的になる位相変調度を光強度と同時に測定可能は、上述した課題の克服の為に、ナノ半導にする実験装置の構築と、1.3-µm 帯バルク体構造であるフォトニック結晶(PC)や量子半導体光導波路を実験対象としたドット(QD)を応用した素子が期待されていKramers-Kronig(K-K)関係式を使用した波長る。PC は光波長程度の周期構造を構成して依存性の評価を行った。ここで 1.3-µm 帯のいる事により、強い光閉じ込め効果とスロ試料を使用するのは、上位目的にあるナノーライト効果(= 群遅延速度効果)という特半導体がその波長帯に適している為である。

徴を持つ。一方 QD は、電子を 3 次元から2. 原理閉じ込めた構造(= 電子の 0 次元の世界)と2.1 スイッチング動作原理いう構成により、非線形性が強く、また、ここでは SMZ 全光スイッチ(図 1)を用い低飽和エネルギーであるという特徴を有すてスイッチング動作原理を説明する。信号る。この PC と QD を組み合わせた対称マッ光(SP)の出力は制御光(CP)に依存してスイハ･ツェンダ型(SMZ)全光スイッチング素子ッチされるが、何も行わないと、SP は port-Bが提案され、100 fJ で位相変調度πを得られから出力される。この事を踏まえ、SP と上る事を実証した[2]。これは光導波路部分を部入力ポートからの CP-ON を入射される

1

ン計測方式を加えた計測法である。半導体
光導波路試料を通過する事により、プローブ光がポンプ光のパワーとその遅延時間に依存して変調される(式-1)。その変調を受けた情報(光位相･光強度変調度とその緩和時間)を持つプローブ光を参照光(式-2)と干渉させる事により生じる、ビート信号から情
図1

対称マッハ･ツェンダ型(SMZ)報を検出する計測法である(式-3)。

全光スイッチの概念図･光強度と同時に光位相の情報を検出する事が出来ると、非線形アーム①で CP-ON が非線形媒体･ほぼ一定の周波数の光のうなり信号(ビー(3)に吸収され、χ に寄与する非線形光学効果ト信号)を検出するので、周波数の異なる雑が生じる。その結果、非線形媒体の屈折率音光の影響を受けない変調が誘起され、SP の位相が変調される。

･参照光の強度を大きくする事で検出されすると、干渉状態の変化に伴い SP の出力がる信号強度を大きく出来るので、微弱な信port-A に切り替わる。その後何もせずにア号の検出が可能である

ーム①内の屈折率変調が徐々に緩和するのといった特徴が挙げられる。

を待てば、出力ポートはそれに従い元のポEpro = Ppro (t, Ppump) cos{(ω + ω pro )t + φ (tdelay, Ppump)} − −(1)ート(port-B)に戻る。この緩和を待たずに T

Eref = Pref cos{(ω + ωref )t} − −(2)秒後に下部入力ポートから CP-OFF を入射I beat ∝ (Eref + E pro )2(3)すると、アーム②において①と同様な現象

→I beat ∝ Pref Ppro (t, Ppump) cos{(ω1 −ω2 )t + φ (tdelay, Ppump)}が生じる。その結果、CP-ON による遅いキ3. 実験構成

ャリア緩和が強制的にキャンセルされ、出3.1 構築した実験装置

力が port-B に切り替わる(図 1 下図)。つま実験装置を立ち上げる上で、装置性能のり、半導体のキャリア緩和(寿命)に制限され目標値を次の様に設定した。時間分解能にない高速なスイッチング動作と、矩形型に関しては、助言を頂いた他研究機関が 2 ps近いスイッチング窓動作が可能となるので程度であるという点と、強度測定しか行えある。この動作原理は差分位相変調方式となかった旧実験装置において 400～600 fs で言う。また、出力をスイッチする為には、あった点を考慮し、400 fs～1 ps と定めた。

位相変調度がπ必要となる。

ダイナミックレンジは、PC/QD 光導波路をここで因果律が認められる時、SP の屈折測定対象にする際に他機関でおよそ 10 dB率と位相、波長の間には一般的に K-K 関係で測定が行えた点を考慮して、10 dB 以上とが成り立つ。

設定した。

2.2 ヘテロダイン方式ポンプ･プローブ計

実験装置を構築する段階で、装置の性能測法を示すプローブ光と参照光によるビート信ポンプ･プローブ計測方式にヘテロダイ号を測定した。このパルス幅が時間分解能2を、信号対雑音比(SNR)がダイナミックレン発振器である(OPO)から 2 つの光を作り出ジを表す。測定方法は参照光側に設置したしている。OPO から出力された光(TE-偏光)遅延ステージを動作させる事で、プローブを偏光ビームスプリッタ(PBS)で 2 つに分け光と参照光間の遅延時間に対するビート信る。一方はポンプ光として、もう一方はプ号のパワーを検出する形式である。

ローブ光として使用する。この 2 つの光の先ず、実験試料無しの状態でビート信号パワー比率は、PBS 前に設置したλ/2 板(H)を測定し、ピークパワーをプローブ光の入で調整可能にしている。この調整はプロー力パワーについて系統的に調べる事で、実ブ光の決定において重要となる。

験装置が実際に正常に動作する事を検証しポンプ光は OPO の出力光の中心波長をた。またビート信号を観測する事により、保つ。プローブ光は、シングルモードファ

SNR がダイナミックレンジを表すという点イバ(SMF)を通す事により自己位相変調をから、ナノ半導体やバルク半導体試料を測起こしてスペクトルを拡げ、その後、バン定する際に、どの程度の性能を有している

ドパスフィルタ(BPF)(帯域幅: 10 nm)で切りかを確認する指標ともなる。

取る。その為、SMF への入力パワーとファ図 2 がその結果である。対数グラフにおイバ長、BPF の組み合わせにより、切り取いて測定値の傾きがおよそ 2 である事が判

るパルスの波長帯の調整が可能となる。こる。この結果を式-3 の強度係数と比較するの装置では波長 1200 nm から 1350 nm 迄の事で、立ち上げた実験装置にヘテロダイン調整が可能である。最初に PBS で 2 つに分計測方式が適用されている事が確認出来た。

け異なる波長にした光を、ビームスプリッ

この時の参照光のパワーは 16 µW である。

タ(BS)で 1 つに戻し、実験試料に入射する。

次いで、実験試料として PC/QD 光導波路

その際、実験試料の構成に合わせ、ポンプを用いた時を考えてみる。入力光と光導波光とプローブ光共に偏光調整を可能にして路との結合損失や導波路内での損失を考慮いる。方法は各々の光路にある H とλ/4 板した出力パワーから、およそ 10 dB のダイ(Q)を使用する。
実験試料への結合方法は、入力側は先球ナミックレンジが得られると推定された(図 2 の楕円の領域)。

ファイバ(SLF)を使用し、出力側は顕微鏡対

これらの準備段階を経て構築した実験構物レンズ(MO)で集光する形式である。その成であるが、1 つの光源光パラメトリック

試料から出力された光を参照光と干渉させ-20

Beat signal
peak power (dBm)-30-40

けられた光である。この時、光位相計測の為、プローブ光と参照光各々の光路に音響

PC/QD
waveguides-60

図2プ光と合波する前に設置した BS により分Dynamic
range-50-90る。この参照光とは、プローブ光側のポン

Measured
Calculated
Noise level-80-70-60-50-40

Probe power (dBm)

光学変調器(AOM)を設置し、僅かに異なる-30周波数に設定して差周波を取っている。信プローブ光入力パワーに対する号の検出部には光電検出器－ロック･イン

ビート信号のピークパワー型増幅器システムを使用し、より微弱な信3

値を満たしている事を意味している。
次いで、光位相と光強度の緩和特性を測定した(図 5)。この結果より、光位相と光強度共に測定時の雑音の影響が大きい事が判明した。そこでこの測定時雑音の原因の手掛かり発見と、AOM 周波数の組み合わせを決定付ける為、･差周波数を 2.5 MHz に保ち、AOM の周波数をシフトした状態
図3

2 色サブピコ秒ヘテロダイン方式･差周波数を 0.5 MHz ずつ拡がる様に AOM

ポンプ･プローブ計測装置の周波数をシフトした状態の 2 通りの条件について測定を行った。

号を検出可能にしている。

測定方法は、ポンプ光側に設置した遅延ビート信号の測定とポンプ･プローブ計ステージを動作させ、ポンプ光とプローブ測の方法は、筑波大学で使用しているプロ

光間の遅延時間に対するプローブ光の位相グラムをモデルとして LabVIEW 7.0 を用いのズレと透過パワーを観測する形式である。

たプログラムを作成し、コンピュータ制御

これらの条件の測定結果より、AOM の設している。その理由は、手動では遅延ステ

定周波数は 81.2 MHz と 78.7 MHz の組み合ージを動かす際に、試料の高速な現象を読わせが最適であると判断出来るので、今後み取るには限界があるからである。また、の測定ではこの周波数の組み合わせを使用検出器の機械的な限界という問題から、する事にした。また、AOM 周波数の組み合

AOM による差周波数に関して検出器とわせの違いにより雑音の影響が顕著に現わ

AOM の間で 1 Hz 程度のズレがあり、そのれる事は確認出来たが、AOM 周波数をシフ
Beat signal power (nW)てしまう。この影響を極力避ける為にも、コンピュータ制御が必要となる。
今後の測定に際し、計測予定にあるナノ半導体(PC/QD)光導波路の特性を考慮し、ポ図4ンプ光の波長を 1290 nm、試料への入力をTE-偏光に設定した。

+120+90+60+300-30-602

構築した実験装置を用いて、実際にPC/QD 光導波路試料を測定した。図 4 のビ010-1.5 -1 -0.5

00.5

11.5

Probe-reference delay time (ps)PC/QD 光導波路のビート信号

100200300

Pump-probe delay time (ps)ート信号より、時間分解能 500 fs、ダイナミ

Beat signal
Noise level

10 dB

500 fsPhase (deg.)

3.2 雑音低減に対する取り組み

3Probe transmission (a.u.)

結果、高速な線形的な位相のシフトが生じ

40200-200

100200300

Pump-probe delay time (ps)ックレンジ 10 dB を得られた。この値は、（a）（b）
図 5 PC/QD 光導波路の緩和特性推定した値と一致していると同時に、目標(a) 光位相緩和曲線、(b) 光強度緩和曲線

4Phase (deg.)

0+90+60+300-30-60-900Real time (s)250加する事が分かる。緩和速度に関しては、

500

指数 1 次近似により 140 ps 程度であったが、with coverw/o cover

100 mA 以下では雑音の影響で求める事が出来なかった。図 9-b より、光強度の測定
50100

150

結果では、注入電流値が 130 mA 付近以下200で利得領域で反応していた傾向が吸収領域Pump-probe delay time (ps)

図6に変化して行く様子を観測した。この 2 つ

光位相測定時における雑音の影響の領域の境界となる注入電流値から離れるトする事によるこれ以上の雑音の低減に結程光強度変調度が増加した。これらの結果

び付く結果は得られなかった。

より、150 mA が安全面、利得領域という点位相に関する雑音の原因として、実験装から妥当であると判断した。

置外部からの空気の振動や光、熱の影響が

図 10 はポンプ光対プローブ光の入力エ考えられた。そこで我々は、対策の 1 つとネルギーを 10 対 1 とした時の光位相と光強して実験装置全体をカバーで覆う事を考え、度の緩和特性を測定した結果である。光位実行した。その際、厳密にではないが、光相の緩和速度に関しては 150 ps 前後の一定学機器間の間切りも行った。光強度の雑音な値を取るが、変調度については光位相とに関しては、式-3 より参照光のパワーが得られれば(アライメントを上手く行えば)雑音解消に繋がると考えた。
実験装置自体の雑音の影響とカバーの効図7

果を求める為に、実験試料を除いた状態で、Beat signal power (nW)カバー無しと有り両方の状態における光位1.3-µm 帯バルク型 SOA

相測定時に発生する雑音の分布を測定した(図 6)。結果、実験装置全体を覆う事で、20～30 deg.程度(雑音全体の 70 %前後)の雑音を改善する事が出来た。

4. 評価結果

図8400300

Beat signal
Noise level

35 dB

450 fs200
1000-1-0.500.5

1

Probe-reference delay time (ps)

プローブ光と参照光による今回使用した実験試料は 1.3-µm 帯バルク

ビート信号型 SOA である(図 7)。SOA 挿入時の装置のNormalizedprobe transmission+200

Phase (deg.)+150

性能は、図 8 より時間分解能 450 fs、ダイナ+100

ミックレンジ 35 dB であった。この時の参+5000

照光のパワーは 45 µW である。

100200300

Pump-probe delay time (ps)1.5
10.500（a） Injection current

SOA は注入電流を必要とする受動素子で200 mA
180 mA
150 mAあるので、その電流値による光位相と光強図9度の依存性を観測した(図 9)。図 9-a より、100200300

Pump-probe delay time (ps)（b）

130 mA
100 mA
80 mA

注入電流に対する測定結果(a) 光位相緩和曲線、(b) 光強度緩和曲線

注入電流の増加に伴い、光位相変調度が増5光強度共に統一性が無く、ばらついた値をのグラフより、短波長側で位相変調度πを得取った。

られ、低エネルギー動作の観点からすると、プローブ光波長に関しては、光位相変調

この波長範囲おいては 1270 nm が最も適し度が波長毎に異なる様子が見える(図 11-a)。ている事が判る。更に、1310 nm 付近でグ

図 11-b においては、光強度変調度は 7～16ラフが反転する傾向にある。強度変調度にdB の変化が見受けられたが、反応領域が波関しては、1310 nm 付近で変調度の頂点を長によって異なる事から、その緩和速度に取る様な凸型の傾向がある。この 2 つの傾ついては検証しなかった。この結果を、異向を照らし合わせると、K-K 関係に沿ったなる入力エネルギー毎にまとめたグラフが波長依存性があると考えられる[3]。

図 12 である。ここで、光位相変調度は実線

5. まとめ
光強度と同時に光位相変調度を測定可能で、光強度変調度は破線で表してある。こ1にする実験装置を完成させた。性能として0.5は 500 fs 以下の時間分解能と 10 dB のダイ

Normalizedprobe transmission

Phase (deg.)+150+100+5000100200

ナミックレンジを達成した。また、光位相0-23000246

測定時に発生する雑音に対しては、全体のPump-probe delay time (ps)Pump-probe delay time (ps)

（a）

（b）

70 %前後を低減する事に成功した。

Pump pulse energy/probe pulse energy
3.0 pJ/300 fJ
1.5 pJ/150 fJ
2.25 pJ/225 fJ
0.75 pJ/ 75 fJ

図 101.3-µm 帯バルク半導体光導波路に関して、Kramers-Kronig 関係式の存在下で、光位相(a) 光位相緩和曲線、(b) 光強度緩和曲線と光強度の変調度に波長依存性があるといPhase (deg.)+200+150+100+5000100

200300Normalizedprobe transmission

入力エネルギーに関する測定結果

う見込みを実験的に証明した。

1

今後は、より広範囲のプローブ光波長に0.5関する依存性を明らかし、ナノ半導体光導00100

200300

Pump-probe delay time (ps)Pump-probe delay time (ps)

（a）

（b）

図 11波路の評価に役立たせて行く。
謝辞

Probe wavelength
1270 nm1310 nm
1290 nm1330 nm

本研究を行うに当たり、実験装置やナノプローブ光波長に対する測定結果

半導体試料の提供等、様々な助言をして下270
18090
1260

1280

1300

1320

20
151050-5-101340

Magnitude of gain
modulation, ∆g (dB)

Magnitude of phasemodulation, ∆φ (deg.)

さった物質･材料研究機構の浅川潔氏、筑波360

大学の尾崎信彦氏、三菱電機の金本恭三氏に感謝致します。
引用文献[1] K. Tajima, JJAP, vol. 32, pt. 2, no. 12A, pp.

Probe wavelength (nm)L1746-L1749, 1993.

Pump pulse energy/ probe pulse energy
3.0 pJ/300 fJ
3.0 pJ/300 fJ
2.25 pJ/225 fJ
2.25 pJ/225 fJ
1.5 pJ/150 fJ
1.5 pJ/150 fJ
0.75 pJ/ 75 fJ
0.75 pJ/ 75 fJ図 12[2] K. Asakawa et al., New Journal of Physics,
vol. 8, no. 208, pp. 1-26, 2006.
[3] R. Giller et al., Photonics Technology

プローブ光波長依存性

Letters, vol. 18, no. 9, pp. 1061-1063, 2006.

実線: 光位相変調度、破線: 光強度変調度6