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半導体光変調器・光スイッチの基礎的研究

世界最初の方向性結合器型光変調器の構造断面模式図

図1 世界最初の方向性結合器型光変調器の構造断面模式図

世界最初の偏光無依存MQW導波路型光変調器の放物線型量子井戸構造

図2 世界最初の偏光無依存MQW導波路型光変調器の放物線型量子井戸構造

巨大電界屈折率効果が得られる5層非対称結合量子井戸(FACQW)の構造

図3 巨大電界屈折率効果が得られる5層非対称結合量子井戸(FACQW)の構造

 光エレクトロニクスにおいて、光に情報を乗せる光変調器や、光路を切り換える光スイッチは、最重要なシステム構成要素の一つである。多田邦雄氏は、光変調器や光スイッチを、半導体を用いて実現する研究に早くから取り組み、多大の基礎的・学問的知見を提供して、その実用化に貢献した。

 同氏は、1960年代後半に、化合物半導体結晶の電気光学効果とそのバルク型光変調器への応用に関する研究を開始したが、集積光学が台頭した以後1970年代初頭からは、光導波路型デバイスを主対象に研究開発を進めた。

 まず1974年に、同氏らは最も基本的な2×2スイッチである方向性結合器型光スイッチを世界最初に実現した。これはGaAsプレーナ導波路が上下2枚重なった積層型構造であったが、より実用的なチャネル導波路が左右に2本並ぶ並置型構造に改良し、その設計理論も確立した。その後、変調マイクロ波を光導波路に沿って光波に近い速度で走らせる進行波型デバイスを初めて試作し、10GHz級の高速変調を可能とした。

 更に同氏は、これら化合物半導体の電気光学効果に基づく方向性結合器型光スイッチを、偏光無依存化してTEモード光のみならずTMモード光に対しても同等に動作させるには、通常と異なる(111)面方位基板を用いて構成すればよいことを理論的に示した。

 また同氏は、半導体への電流注入により屈折率や光吸収係数を大きく変化させて動作させるキャリヤ注入型光スイッチ・光変調器の研究も行い、少数キャリヤ蓄積に起因してスイッチオフ時間が長いという問題に対し、光導波路構造をpin接合からバイポーラトランジスタ構造に変更するという新概念を提案した。これにより駆動電流を小さくできるとともに少数キャリヤの高速引き抜きが行えるために、動作速度の一けた向上が可能となった。

 同氏及びそのグループは1987年より、光導波路の部分に多重量子井戸(MQW)を用い、その量子閉込めシュタルク効果により動作するデバイスを中心に研究している。これは現在の半導体光変調器・光スイッチの主流タイプであるが、同氏らは特に、量子井戸のポテンシャル分布を通常の矩形分布とは違った種々の新しい分布形状に工夫することにより一層の高性能化、高機能化をねらうというユニークな研究を展開してきた。すなわち、まず放物線ポテンシャル量子井戸により世界最初に偏光無依存MQW導波路型光変調器を実現した。最近では透明波長域での電界誘起屈折率変化を矩形量子井戸に比べて一けた以上増大できる5層非対称結合量子井戸という新構造を考案し、これを用いた進行波型マッハ・ツェンダー干渉計光変調器を試作して、55GHzという半導体光変調器での変調遮断周波数の最高値を達成した。

 この技術に対して、電子情報通信学会は、1999年、多田邦雄氏に業績賞を贈った。


文献

[1] K. Tada and K. Hirose、A new light modulator using perturbation of synchronism between two coupled guides、1974年、Appl. Phys. Lett., vol.25, no.10, pp.561-562, 1974
[2] K. Tada, S. Nishimura and T. Ishikawa、Polarization-independent optical waveguide intensity switch with parabolic quantum well、1991年、Appl. Phys. Lett., vo.59, no.22, pp.2778-2780, 1991
[3] H. Feng, J. P. Pang, M. Sugiyama, K. Tada and Y. Nakano、Field-Induced Optical Effect in a Five-Step Asymmetric Coupled Quantum Well with Modified Potential、1998年、IEEE J. Quantum Electron., vol.34, no.7, pp.1197-1208, 1998

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