第7章 結論 - 東京大学学術機関リポジトリ

第7章
第7章
結論
結論
本 研 究 の 目 的 は 、現 在 の 光 フ ァイ バ に よ る通 信 速 度 の ボ トル ネ ックとな りつ つ あ る 、OEO変
換
に 基 づ い た ル ー タ ー の 代 わ りとな る 、全 光 ル ー タ ー の 実 現 へ 向 け た 全 光 フ リップ ・フ ロ ップ の 開 発
で あ る。これ ま で 様 々 な 方 式 の 全 光 フ リップ ・フ ロップ が 提 案 され て きた が 、そ の 中 で もMMI-BLD
は 高 速 動 作 、高 いON/OFF比
な ど の 利 点 が あ る。しか し 、これ ま で のMMI-BLDは
き 開 端 面 を そ の ま ま 用 い たFabry-Perot型
反 射 鏡 として へ
の 共 振 器 で あ り、発 振 ス ペ クトル の 線 幅 が 広 くWDM用
途 に 向 か な い 、へ き 開 す る 必 要 が あ る た め 他 の 導 波 路 型 光 デ バ イ ス とモ ノリシ ック に 集 積 で きない、
な ど の 欠 点 が あ っ た 。そ こで 、反 射 鏡 としてDBRを
WDM用
用 い る ことに よっ て 単 一 モ ー ド発 振 を 実 現 し、
途 に 適 応 で きる 狭 い 線 幅 を 得 、動 作 の 安 定 化 を 図 り、他 の 導 波 路 型 光 デ バ イ ス とモ ノリシ
ックに 集 積 可 能 なDBR-MMI-BLDの
第3章
で は そ のDBR-MMI-BLDを
InPク ラ ッド層 のMOVPE再
well手
実 現 を 目指 して きた 。
作 製 す るた め の プ ロセ ス 手 法 に つ い て 説 明 した 。これ は
成 長 を 境 に 大 きく2つ
法 に よるActive/passive領
に 分 け るこ とが で きる 。前 半 はOffset
域 の 集 積 で あ り、DBR回
quantum
折 格 子 の 作 製 も ここに 含 まれ る。後 半
は ウ ェ ットエ ッチ ン グ に よる リッジ レ ー ザ ー の 作 製 で あ る。今 回 はSiO2を
絶 縁 膜 として 用 い 、導 波 路
と電 極 の コン タクト部 は フ ォ トリソグ ラフ ィー を 行 っ て 開 け て あ る。
第4章
で は 、DBR-MMI-BLD作
Active/passive集
製 の 予 備 実 験 として 行 っ た 、Offset quantum
積 の 検 証 に つ い て 示 した 。ここで は 単 純 なFabry-Perotレ
振 器 の 全 体 ・一 部 に の みActive領
、Offset quantum
well手
得 られ て い るこ とが 分 か っ た 。ま た 、Active領
製 に も成 功 し、過 飽 和 吸 収 体SAの
ペ クトル の フ
法 を 用 い て 反 射 の 無 いActive/passive界
域 を2つ
よる
ー ザ ー を 元 に 、そ の 共
域 が あ る ような レー ザ ー を 作 製 した 。発 振 前ASEス
ー リエ 変 換 に よ る分 析 か ら
wellに
面が
に 分 け るこ とに よ り双 安 定 レー ザ ーBLDの
長 さが 長 くな る に つ れ てL-I特
作
性 中 の ヒス テ リシ ス の 増 大 を 確
認 した 。
第5章
で は 、作 製 したDBR-MMI-BLD単
し、しき い 値167mAで
体 で の 動 作 を説 明 した 。ま ず デ バ イ ス に 電 流 を 注 入
発 振 を 始 め 、L-I特 性 中 に は 幅 約5mAの
ヒス テ リシ ス を得 た 。ま た 発 振 ス
ペ ク トル を 見 る と単 一 モ ー ドで 発 振 して お り、発 振 波 長 は15553.9nm、164mAの
ON/OFF比
は26dB、SMSRは23dBで
静 的 なSET/RESET動
さら にLN変
あ っ た 。デ バ イス に 両 側 か らCW光
注 入 電流 で の
を 入 射 す る ことに よ り
作 を 示 し、そ の 動 作 可 能 波 長 範 囲 は1520∼1570nmで
調 器 で10ns幅
の 光 パ ル ス を 変 調 し、160ns間
あった 。
隔 で デ バ イス に 両 側 か らセ ット・リ
セ ット光 として 入 射 し 、動 的 に フ リップ ・フ ロップ 動 作 を 実 証 した 。最 速 で 立 ち 上 が り時 間 は320ps、
立 ち 下 が り時 間 は200ps程
16dBで
度 で あ り、動 的 なON/OFF比
はEDFAに
あ っ た 。ま た 、この 動 作 可 能 波 長 範 囲 は1535∼1570nmで
よるOSNRの
劣化 が加 わり
あ った 。立 ち 上 が り時 間 に つ い
91
武田 浩司
修士論文
て はCritical slow downが
確 認 され 、光 パ ル スの 強 度 が 弱 い と劇 的 に立 ち 上 が り時 間 が 遅 くなるこ
とが 、また 光 パ ル スの 強 度 が 強 す ぎ るとキ ャリア が 回 復 す るまで に 時 間 が か か り立 ち 上 が りに遅 れ
が で ることが 分 か った。立 ち 上 が り時 の 緩 和 振 動 周 波 数 は0.7GHzで
あり、強 パ ル ス時 に は この 周
波 数 で 律 速 され るた め 、共 振 器 長 を短 くす ることに よって さらな る高 速 化 を 目指 す 。逆 に 立 ち 下 が り
時 間 に つ い て は 光 パ ル スの 強 度 に 応 じて早 くなる結 果 を得 た 。
第6章
で は 、このDBR-MMI-BLDを
に つ い て 示 した 。デ バ イ ス は 第5章
繰 り返 し、そ の 光 出 力 をMZI-SOA全
を ス イッチ した 。MZI-SOA通
ラベ ル ・メモ リとして 用 い パ ケ ット・ス イッチ ン グ を した 結 果
で 述 べ た 通 り160ns間
光 ス イッチ に 入 れ るこ とに よ り、10Gb/s231-1PRBSの
Gb/s)を
∼8波DWDM信
号 を40Gb/sで
の パ ワー ペ ナ ル テ ィは1.8dBで
あった 。
変 調 した パ ケ ット(デ ー タレ ー ト40∼320
入 射 し 、パ ケ ッ ト・ス イ ッチ ン グ 動 作 を 示 し た 。こ れ もDBR-MMI-BLDの
MZIｰSOAで
パ ケ ット
過 後 の 光 パ ケ ットに も 明 瞭 な ア イ が 確 認 で き 、ビ ットエ ラー レ ー ト10-11
を 達 成 した 。この 際 エ ラ ー フ ロア は 見 られ ず 、BERl10-9で
さらに 、ここに1波
隔 で くる パ ル ス を 元 にSET/RESETを
出 力 を元 に
スイ ッチ で き 、8波 に お い て は エ ラー フ ロア が 見 られ た もの の 、全 変 調 方 式 全 チ ャネ ル
に お い て10-9の
エ ラー レ ー トを 達 成 した 。BER 10-9の
そ れ ぞ れ に お い て1.5, 2.5, 4.0, 7.0dBで
ップ とMZI-SOAに
パ ワ ー ペ ナ ル テ ィは1波
あ っ た 。この ことか ら、DBR-MMI-BLDに
、2波 、4波 、8波 の
よ るフ リップ ・フ ロ
よ るス イッチ の 組 み 合 わ せ が 変 調 方 式 に 対 して 高 い 透 明 性 を 持 っ こ とを 示 す こ
とが で きた 。
本 論 文 に お い て 、DBR-MMI-BLDがMMI-BLDの
利 点 を 受 け 継 ぎ つ つ さらに 高 性 能 な 素 子
で あ る ことを示 す こ とが で き た。単 一 モ ー ド発 振 や 、モ ノリシ ック集 積 が 可 能 で あ る ことに 加 え て 、入
力 波 長 に 対 す る トレ ラ ン ス が 大 き く動 的 動 作 に お い て も 幅 広 い 波 長 帯 で 動 作 させ る ことが で きた 。
また この 出 力 を 用 い て パ ケ ット・ス イッチ ン グ 動 作 も実 証 す る ことが で き 、DBR-MMI-BLDは
製 され るで あ ろ う全 光 ル ー ター に お い て 、光 メモ リとして 使 え うるこ とを 示 す ことが で きた 。
92
将来作
Appendix
Appendix
Aマ
DBR-MMI-BLDを
トマ ス クを4枚
ス ク デザ イ ン
作 製 す るた め の フ ォ トマ ス クデ ザ イ ン に つ い て 述 べ る。この デ バ イス は フ ォ
必 要 とす る 。た だ し、導 波 路 の 頭 を 開 け 電 極 とコン タ クトを とるた め の マ ス クは 、導 波
路 マ スクとほ ぼ 同 じデ ザ イン で あ り、見 づ らくな る た め 載 せ て い な い 。ま たDBRの
パ タ ー ンも煩 雑 に な り、DBRの
測 定 用 の1連
ー ン は 黒 の 塗 りつ ぶ し
、電 極 パ ター ン は 緑 の 塗 りつ ぶ し 、またActive/passive集
ン は 赤 の マ ス 目で 表 示 して あ る。Active/passive集
分 を 塗 っ て あ る 。この ように 、MMIの
50,75,100μmの4種
画用
電 極 に 隠 れ て しま うた め 載 せ て い な い 。
の サ ン プ ル(バ ー と呼 ぶ)の フォ トマ ス クデ ザ イン をFig.A1に
出 せ る ように して あ る。MMIの
た め のEB描
示 す 。導 波 路 パ タ
積 の た めの パ ター
積 の た め の マ ス ク は 、実 際 に はPassiveと
長 さと、SAの
長 さを 振 りな が ら10個
長 さは560,585,610,635,660μmの5種
な る部
の デ バ イス を ま とめ て 取 り
類 で あ り、SAの
長 さは25,
類 を用 意 してある。
4つ 並 ん で 見 え る電 極 パ ター ン の 両 側 か ら斜 め に 導 波 路 が 見 え る。この 角 度 が7° に 設 定 して あ り、
そ こま で 曲 げ な が ら導 波 路 幅 を2μmか
ら5μmま
で 広 げ て あ る。図 中 両 端 に 見 え る 細 い 縦 の 電 極
パ ター ン を 基 準 に へ き 開 す る。
Fig.A1:
Photomask
design
of DBR-MMI-BLD
at one bar.
93
武田 浩司
修士論文
Fig.A2:
次 に 、MMIの
Photomask
design
of DBR-MMI-BLD
出 口 部 分 の 拡 大 図 をFig.A2に
at MMI
示 す 。MMIの
output
port
and
幅 は 全 て12μmで
SA.
あ り、MMIの
2つ の 出 力 ポ ー トは 曲 げ 導 波 路 を 用 い て25μmま
で 広 げ て あ る。また この 曲 げ 導 波 路 の 曲 率 半 径
は1000μmで
電 流 を 注 入 す る た め の も の で 、中 央 上 下 に 伸 び
あ る。この 中 央 左 の 電 極 がMMIに
て い る部 分 がSAの
領 域 が あ り,MMIとSAの
電 極 で あ る。右 側 に はDBRの
電 極 が あ る。MMIとSAの
絶 縁 性 を 高 め て い る。また 、い ず れ のActive/passive界
間 に は 狭 いPassive
面 も導 波 路 に 対
して 垂 直 に は な らな い ように デ ザ イン して あ り(ここで は7° 傾 け て あ る)、 これ に よりActive/passive
界 面 で の 反 射 を下 げ て いる。
94
Appendix
Fig.A3:
Photomask
全 体 の フ ォ トマ ス クデ ザ イン をFig.A3に
の16個
design
of whole
示 す 。Fig,A1で
structure.
示 した1つ
の バ ー を 上 下 左 右 に4X4
配 置 して い る。また 、そ の 外 側 に は フ ォ トマ スク の 重 ね 合 わ せ ア ライメン トを とるた め の マ ー
クを 配 置 し て い る。ア ライメン トマ ー ク は 矢 羽 状 を して お り、そ の 中 央 に3重
の 十 字 が切 っ てある。
95
武田 浩司
修 士論文
Fig.A4:
Processing
procedure
of photomask
今 回 は フ ォ トマ ス クを 東 京 大 学VDEC(VLSI
製 した 。そ の 作 製 プ ロセ スをFig.A4に
fabrication,
Design
based
and Education
on wet etching.
Center)の 装 置 を 用 い て 作
示す 。
まず 「ブ ラン ク」と呼 ば れ る状 態 の マ スクを 購 入 す る。これ は 極 め て 平 坦 な ガ ラス 板 上 に クロム と
酸 化 クロム を 製 膜 し 、そ の 上 にEBレ
ジ ス トを 製 膜 した 状 態 の も の)あ
る。今 回 はEBR-9と
い うレ ジ
ス トが 製 膜 され た ブ ラン クを 利 用 した 。これ は ポ ジ 型 の レ ジ ス トで あ る。そ の 上 か ら 、電 子 線 描 画 装
置 を 用 い て 必 要 な パ タ ー ン を 描 画 す る 。た だ し,ポ ジ 型 レ ジ ス トは 描 画 した 部 分 の レ ジ ス トが 現 像
時 に 無 くな る た め 、例 え ば 導 波 路 パ ター ン の マ ス ク が 必 要 な 場 合 は 導 波 路 が 無 い 部 分 を 全 て 塗 り
っ ぶ す 必 要 が あ る 。今 回 は シ ョットで 露 光 が で きるADMNTEST社
そ の 後 、MIBK(メ
MIBKの
製F5112を
チ ル イ ソブ チ ル ケ トン)を 用 い て 現 像 し、130℃
洗 浄 はIPA(イ
用 い て いる。
で20∼30分
べ ー クす る。
ソプ ロパ ノー ル)で 行 う。現 像 が 終 わ っ て 酸 化 クロム 面 が 出 た 状 態 だ が 、わ
ず か に 残 っ て い る レ ジ ス トを 除 去 す る の と、レ ジ ス ト端 の 平 坦 化 の た め に 、15秒
だ け 酸 素 プ ラズマ
で ア ッシ ン グ し 、全 体 の レ ジ ス トを わ ず か に 除 去 す る。そ うし て 完 全 に 酸 化 クロム 面 が 出 た 状 態 で 、
硝 酸 第 ニ セ リウム ア ン モ ニ ウム を 用 い て 、酸 化 クロム とクロム の 層 を ウェ ットエ ッチ ン グ し除 去 す る。
うま くパ ター ン が 描 画 ・現 像.エ ッチ ン グ で き て い た ら、最 後 に レ ジ ス トを 除 去 す る 。これ は ア セ
トン と、そ の 超 音 波 洗 浄 で 簡 単 に 除 去 す るこ とが)き
リソグ ラフ ィー を 行 った 。
96
る。こうして 作 製 した フ ォ トマ スクを 用 い て フォ ト
Appendix
Appendix
B使
用 プ ロセ ス 装 置 一 覧
この プ ロセスで は多 様 な装 置 を使 用 す る。実 際 に使 用 した 装 置 につ い て まとめ る。
97
武田 浩司
98
修士論文
Appendix
Appendix
C 略語一覧
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武 田 浩司
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参考文献
105
武田 浩司
修士論文
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Koji Takeda, Mitsuru Takenaka, Maura Raburn, Yasuki Kanema, Jonathon S. Barton,
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Koji Takeda, Mitsuru Takenaka, Maura Raburn, Xueliang Song, Jonathon S. Barton, and
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M. Takenaka, K. Takeda, Y. Kanema, M. Raburn, T. Miyahara, H. Uetsuka, Y. Nakano,"320
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M. Takenaka, M. Raburn, K. Takeda, Y. Nakano,"All-Optical
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MMI-BLD Optical Flip-Flop", 2006 Optical Fiber Communication Conference, OThS3,
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106
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関連する発表
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M. Raburn, M. Takenaka, T. Koji, X. Song, J. S. Barton, and Y. Nakano,"Full
Operation of Multi-Mode
Interference
Distributed
C-Band
Bragg Reflector Laser All-Optical
Flip-Flops", 2006 Conference on Lasers & Electro-Optics/Quantum
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M. Raburn, M. Takenaka, T. Koji, X. Song, J. S. Barton, and Y. Nakano,"FABRICATION
OF
InP/InGaAsP
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REFLECTOR LASER ALL-OPTICAL FLIP-FLOPS", 2006 Indium Phosphide and Related
Material, TuA3.2, Princeton University(New Jersey, USA), May 2006
学 会 発 表 論 文(国
[11]
内)・ シ ン ポ ジ ウ ム 等
武 田 浩 司 、竹 中 充 、レ イバ ン モ ー ラ 、金 間
義 昭 、「DBR型MMI-BLDの
泰 樹 、宋
学 良 、バ ル トン ジ ョナ サ ン 、中 野
動 的 全 光 フ リップ ・フ ロップ 動 作 」、第67回
応 用 物理 学 会 学
術 講 演 会 、la-ZX-1、 立 命 館 大 学(滋 賀)、2006年9月
[12]
武 田
浩 司 、レ イ バ ン
「DBRを
53回
[13]
竹中
MMI型
モ ー ラ 、竹 中
用 い たMMI全
充 、バ ル トン
ジ ョナ サ ン 、宋
学 良 、中 野
光 フ リップ ・フ ロップ の 単 一 モ ー ド発 振 及 びCバ
義昭、
ン ド全 域 動 作 」、第
応 用 物 理 学 関 係 連 合 講 演 会 、22p-Y-11、 武 蔵 工 業 大 学(東 京)、2006年3月
充 、モ ー ラ
レ イバ ン 、武 田
浩 司 、イット フ ー チ ョン 、宋
学 良 、中 野
全 光 フ リップ ・フ ロップ お よ び マ ッハ ・ツ ェン ダ ー 型SOAを
義 昭 、「能 動
用 い た信 号 再 生 型 波 長 変
換 動 作 」、電 子 情 報 通 信 学 会 ソサ イ エ テ ィ大 会 、C-3-35、 北 海 道 大 学(北 海 道)、2005年9
月
[14]
竹中
充 、武 田
浩 司 、イット フ ー チ ョン 、中 野
義 昭 、「MMI光
フ リップ ・フ ロップ を 用 い た
全 光 パ ケ ット・ス イ ッチ ン グ 」、電 子 情 報 通 信 学 会 総 合 大 会 、C-3-23、 国 士 舘 大 学(東 京)、
2006年3月
[15]
Maura
Raburn,
Nakano,•uDesign
DBR
Multimode
Mitsuru
and
Takenaka,
Preliminary
Interference
Jonathon
Barton,
Fabrication
of
Bistable
Laser
Song
Integrable
Diode
Structure•v,
Xueliang,
All-Optical
Koji
Takeda,
Flip-Flops
Yoshiaki
Based
on
電子情報通信学会ソサイエ
テ ィ大 会 、CS-8-7、 北 海 道 大 学(北 海 道)、2005年9.月
[16]
竹 中 充 、武 田 浩 司 、モ ー ラ
ル ・メモ リに よる320Gb/s光
PN合
[17]
レイ バ ン 、宮 原 利 治 、上 塚 尚 登 、中 野 義 昭 、「MMI型
光 ラベ
パ ケ ット・ス イ ッチ ン グ 」、電 子 情 報 通 信 学 会OPE・EMT・LQE・
同 研 究 会 、大 阪 、2007年1月(招
待 講 演)
竹 中 充 、武 田 浩 司 、モ ー ラ レ イバ ン 、宮 原 利 治 、上 塚 尚 登 、中 野 義 昭 、「MMI型
双安定レ
ー ザ ー の 研 究 開 発 お よ び 全 光 パ ケ ットスイ ッチ ン グ へ の 応 用 」、レー ザ ー 学 会 、2007年1月
(招 待 講 演)
107
武 田 浩司
修士論文
謝辞
本 研 究 を進 め るに あた り、本 当 にた くさん の 方 々 に 協 力 い た だ きました。この 場 をお 借 りして深
く感 謝 致 します 。
指 導 教 員 で ある 中 野 教 授 に は 熱 心 に 指 導 い た だ き、また 暖 か く見 守 っ てい た だ き快 適 な研 究
室 生 活 を送 ることがで き、数 多 くの 発 表 の機 会 を与 えて い た だ きました 。
同 じ研 究 チ ー ムで 全 光 フリップ ・
フ ロップ を研 究 してきた 竹 中博 士 、Dr.Raburnに
は 、全 光 フリ
ップ ・
フロップ の 理 論 に 始 まり、そ の 作 製 手 法 、また極 め て 複 雑 な デ バ イス測 定 系 な ど全 て を教 え て
い ただ き、最 初 か ら最 後 までスム ー ズ に 研 究 を進 め て い くことが で きました。
清 水 助 手 に は 、各 種 半 導 体 プ ロセ ス装 置 の 使 い 方 や 管 理 方 法 を教 え てい た だ きました。また 、
薬 品 の 廃 液 処 理 を全 て や ってい た だ きました。
宋 博 士 に は 、この ような 高 機 能 デ バ イスで 数 多 く必 要 とな るフォトマ スクの 作 製 方 法 を教 え てい
た だ きました。フォ トマ スクは デ ザ イン を変 更 す るた び に最 低4枚
必 要 に なるた め 、自分 で 作 製 で き
ることは 大 変 た め に な りました 。フォトマ スク作 製 に 関 して は 他 にも特 に久 保 田 助 手 、田 中研 究 室 杉
浦 氏 、同 研 究 室 原 田 氏 に よくお 世 話 に な りました。特 に杉 浦 氏 には 描 画 デ ー タの 変 換 ソフトウェア
まで 開 発 して い た だ き 、大 変 使 い 勝 手 の 良 い ソフ トウェア で 現 在 でもこれ を使 って デ ー タの 変 換 を
行 って い ます 。
中野 ・
杉 山 研 究 室 で 主 に 結 晶 成 長 の研 究 を行 って お り、か つMOVPEの
氏 に は 、装 置 の使 用 法 を丁 寧 に教 えて い た だ き、またMOVPEの
管 理 者 でもある塩 田
保 守 の 点 で も大 変 お 世 話 にな り
ました。他 にも結 晶 成 長 を研 究 としてい る鬼 塚 氏 、出 浦 氏 に は 特 にMOVPEの
保 守 で お 世 話 にな
りました。
中野 ・
杉 山 研 究 室 の 全 メンバ ー とは 特 に 研 究 室 打 ち合 わ せ を通 じて 活 発 な 議 論 を させ て い た
だ き、スム ー ズ に研 究 を進 め て い くことが で き、また 様 々 な アイデ ィア や 知 恵 、技 術 を教 え て い た だ
きました 。
本 研 究 は 、これ ら数 多 くの 人 の 協 力 な くして は 成 立 しな か ったもの で す 。ここに 改 め て 深 く感
謝 致 します 。
2007年2月2日
108