過去の研究

三次元光回路

シリコン光回路はCMOSプロセス使用可能、大量生産可能、高屈折率というメリットを生かし、大規模な光分岐や光結合素子集積の実現を目的として研究が進められています。 本研究では電子線露光法による高精度描画技術と誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング技術、及びプラズマ化学気相成長を用いたアモルファスシリコン/SiO2多層膜を用いて、LSI上3次元構造の低損失Si光導波路の作製及び垂直信号伝送技術の開発を行っております。またシリコン導波路を用いた小型光変調器や、LSI上における熱拡散問題の解決策となる温度無依存波長フィルタを報告しています。

トランジスタレーザ

トランジスタレーザという新たな光通信用光源の研究を行っています。従来の半導体レーザと異なり、トランジスタレーザはエミッタ,ベース,コレクタの3端子を有しています。エミッタから注入されたキャリアをコレクタ電圧により引き抜くことで、活性層への素早いキャリア供給が可能となり、半導体レーザを超える高速動作が実現できます。本研究室ではこれまでに、光通信において重要な長波長帯におけるトランジスタレーザの室温連続発振動作を実現してきました。現在は超高速動作の実現を目指した研究を行い、実際に変調動作の実験も始めています。

フォトニックワイヤボンディング

Si（またはSOI）基板上にIII-V族化合物半導体光デバイスをハイブリッド集積する上で使用されている接合技術は、主に「樹脂接合法」と「直接接合法」の2つに大別されます。2種類の接合技術は、それぞれ固有の特徴をもつため、作製する光デバイスの特性に合わせて適切な接合法を選択することが必要とされます．樹脂接合は素子性能の向上を維持した上で効率的に各素子間に光を伝送させる目的から、フェムト秒レーザーによって造形した3次元ポリマー細線（PWB: Photonic wire bonding）を導入することで，直接接合法のように構造に制限されることはなく、オンチップ光伝送時も素子単体の性能を保持することが可能となります．本研究では，PWBを用いたチップ間光伝送を観測しており，その特性向上に向けた研究を行っています．

プラズモニック変調器

LSIの小型化が進む中で，その電気配線において，発熱やRC遅延などの課題が浮き上がってきています．その解決法の一つとしてグローバル配線層を光配線に置き換えるオンチップ光配線の研究が行われています．その中に金属ナノ構造体を用いることで既存のフォトニクス分野では得られない光の現象を得ることができるプラズモニクスという分野があります．プラズモニクスでは金属内の自由電子の振動を利用することで，光の回折限界を超えた狭空間への光のエネルギーの閉じ込めが可能となります．本研究では特に変調器に注目し，酸化インジウムスズ（Indium Tin Oxide: ITO）薄膜を用いた構造や，電気光学ポリマーとして特殊なドナー構造を導入したFTC（Furan-Thiophene Chromophore）を用いたギャッププラズモン構造を研究しており，ナノスケールにおいて性能指数を大きく改善できる可能性を明らかにしております．

THz-光信号直接変換器

光通信は大容量、高速通信が可能であり、情報量の増加にともないさらなる高速化が望まれています。 これに対し、無線通信の分野ではTHz、サブTHz帯という新たな帯域が注目されています。これは従来無線の100倍の周波数を持つ未開の周波数領域であり、10Gbpsを超える無線通信が可能と期待されています。 このことから、将来的に、光通信とTHz無線通信のシームレスな接続が必要になると考えられ、これが実現されればTHzアクセスポイントや光配線を持つチップ間のTHz信号通信、ラスト数十メートルと呼ばれる区間でのシームレスな接続が可能となります。そのため本研究では、光信号からTHz信号への直接変換素子の実現を目指します。

活性領域と受動領域を集積した分布反射型(DR)レーザ

従来のDFBレーザは光出力が両端面から出るため、更なる効率増加のために片側に高反射(HR)コーティングを行い、光出力を片端面に寄せる方法が採られています。本グループでは細線状活性層の特徴を生かし、DFBレーザと分布ブラッグ反射鏡(DBR)を一括集積し、高性能でHRコーティングが不要な集積レーザを研究しています。低しきい値・高効率動作を特徴とするこの集積レーザは分布反射型(DR: distributed reflector)レーザと呼ばれ、その設計及び試作を行っています。 DRレーザの基本構造は活性DFB領域（電流注入領域）と受動DBR領域を集積した構造となっており、受動DBR領域が高反射率の反射器として機能します。高反射率な反射器を実現するために、DBR領域の活性層幅は細線化します。細線化によって活性層領域の体積が減るだけではなく、量子閉じ込め効果に伴う遷移エネルギー拡大が行われ、低損失導波路のDBRが作製でき、高反射率の反射器を実現できます。この手法によって同一の活性層を用いても活性DFB領域と受動DBR領域の実用的な一括形成が可能となります。 以上のような活性領域と受動領域を集積したDRレーザの試作を行い、低しきい値(サブmA動作)、高い前後非対称出力特性、高い単一モード特性を得ることに成功しています。そしてDRレーザにさらに機能素子領域を加えた3領域の集積レーザを試作し、動作確認に成功しています。

量子細線レーザ

半導体レーザの活性層に低次元量子構造を導入することにより、低しきい値・高効率・狭線幅などの優れた特性が得られることが理論的に期待されています。荒井研究室では電子ビーム(EB)露光・エッチング・埋め込み再成長による作製法を用い、量子細線・量子箱レーザの作製、ならびに特性評価を行っています。これまでに、この作製法を用いて実現された量子細線レーザ（細線幅23nm、5層量子細線構造）として世界で初めて室温連続発振を実現しております。また、その寿命測定を行った結果、12,000時間以上経過後においても良好な特性を維持していることを確認しております。また、本作製法により形成された多層量子細線構造がサイズ均一性に優れていること（細線幅の標準偏差±2nm以下）も明らかに致しております。 さらに、狭細線構造（活性層幅14nm）を有する5層量子細線レーザを実現し、自然放出光スペクトルの測定と理論解析との比較から、高エネルギー側における量子薄膜レーザよりも急峻なスペクトル形状は、キャリヤの横方向量子閉じ込め効果に起因していることを明らかに致しております。 今後、サイズ及び各量子井戸層の組成・層厚分布を低減することによる狭利得スペクトル特性の実現、ならびに高反射率反射鏡とDFB構造の付加により低電流・高効率動作の実現を目指します。

活性層分離型DFBレーザ

従来のDFBレーザは回折格子を光閉じ込め層部分に形成するのに対して、我々が作製している活性層分離型DFBレーザは、活性層部分を直接エッチングして形成します。活性層部は光強度が強いため、その部分で屈折率を変化させることで、光が屈折率変化を大きく感じて共振器長全体としてみたときの反射率をより高くすることが出来ます。それにより、低いしきい値電流で動作させることが可能となります。また、活性層を部分的にエッチングしているため、活性層体積を小さくすることができ、それによってされにしきい値が低減できる利点があります。（しきい値電流は活性層の体積に比例します。）これらの効果によりサブミリアンペア動作を実現しています。また、優れた単一モード特性も得られています。

LiDAR 光レーダー

光レーダー、通称LiDAR (Light Detection and Ranging) は、将来の自動運転、ドローン、ロボットの目として必須の技術です。通常のカメラと異なり、画像処理で距離を測定するのではなく、「直接」距離を測定します。それにより、どんな環境でも高い信頼性をもって距離を測定することができます。しかしながら、現在の数百m先を見通せるLiDARは、高価かつ大型であり、すべての車に搭載することは困難です。我々はハイブリッド集積技術を利用し、小型で大量に作製できるLiDARを実現しようとしています。また、それを利用した機械学習による物体認識も行っています。

メタマテリアル光機能デバイス

光通信帯において、全ての物質の比透磁率µは1です。通信光学・導波路光学などの教科書に載っているマクスウェルの方程式には透磁率の項は一切登場せず、比誘電率εのみについて扱われていることからも、その事実を確認できます。光通信分野において、この制約を超えることは非常に大きな意味を持ちます。この制約を取り払うことで、従来技術では実現困難であった様々な素子動作が可能となると考えられます。

近年、マイクロ〜ナノサイズの金属構造体中における自由電子の振動を利用することで、物質固有だと思われてきた誘電率や透磁率の値を人工的に制御し、自然界に存在しない物質を作り出す研究が盛んに行われています。このような人工物質は、“メタマテリアル”と呼ばれます。当研究グループでは、従来のInP系導波路型光デバイスに“メタマテリアル”の概念を導入することで、デバイス内の誘電率および透磁率の値を制御し、新しい概念を持った素子実現の可能性を検討しております。