佐藤具就1,2 武田浩司1,2 新家昭彦1,3 野崎謙悟1,3 谷山秀昭1,3
長谷部浩一1,2 硴塚孝明1,2 納富雅也1,3 松尾慎治1,2
1ナノフォトニクスセンタ 2フォトニクス研究所 3量子光物性研究部
CMOS電子回路では、動作速度向上のため微細化が進んでいる。しかしながら、微細化に伴い、電気配線層における消費電力の増大や処理速度の律速が顕在化している。これを解決するために、電気配線層を光回路に置き換えることを目的としたオン／オフチップ光インターコネクションの研究が活発に進められている。このような、光インターコネクションに用いられる光源には、1ビットの生成に10 fJ以下といった超低消費エネルギーが求められる。この要求を満たすために、我々はフォトニック結晶微小共振器と微小埋込活性層を組み合わせた波長サイズ埋込活性層フォトニック結晶(LEAP：Lambda-scale Embedded Active-region Photonic-crystal)レーザを開発している[1]。今回、電流注入時のリーク電流を大幅に削減することに成功し、半導体レーザにおいて世界最小しきい値電流および最小消費エネルギー（単位ビット当たり）で動作するLEAPレーザを実現した。
図1に電流注入型LEAPレーザのSEM像を示す。InGaAlAs量子井戸構造からなる微小活性層（体積 0.12 µm3）が、厚さ250 nmのInPスラブに形成したフォトニック結晶導波路中に埋め込まれている。犠牲層とInP基板を介したリーク電流を削減するために、InPスラブ下部の犠牲層を、従来のInGaAsからバンドギャップの大きいInAlAsに変更した。活性層に電流を注入するために、横型のp -i -n 構造をZn拡散およびSiイオン注入により作製した。
図2に作製したLEAPレーザの室温（25℃）連続動作時の光出力-電流注入特性、および発振スペクトルを示す。しきい値電流は7.8 µA、出力導波路上の光出力は最大9 µWが得られた。発振波長は、1567.8 nmであった。従来のInGaAs犠牲層を用いたレーザのしきい値電流は390 µAであり、InAlAsを犠牲層に用いることで、しきい値電流の大幅な低減に成功した。さらに、投入電力174 µWで12.5 Gbit/s直接変調動作が可能であることを確認し、14 fJ/bitという超低消費エネルギー動作も実現した。また、発振波長が異なるが同様の構造のLEAPレーザにおいて、95℃までの高温動作も実現した[2]。
本研究の一部はNEDOの援助を受けて行われた。
[1] S. Matsuo et al., Optics Express 20 (2012) 3773.
[2] T. Sato et al., IEEE Photonics Conference (2012) WF-2.
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