産業技術総合研究所(産総研)は、光を使って光の位相を制御する超高速半導体全光位相変調素子をInP基板上にモノリシック集積した小型の半導体光ゲートスイッチ素子を開発したことを発表した。同光ゲートスイッチ素子を用いて160Gbpsの高速光信号を40Gbpsの光信号に多重分離(DEMUX)を確認した。同成果の詳細は、米国メリーランド州ボルチモア市で5月1日～6日に開催される国際会議「Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO2011)」において5月3日に発表される予定。

従来、光ネットワークにおける大容量光通信を実現するため、一波長当たりの伝送速度を40Gbps程度まで高速化すると同時に、波長分割多重方式(WDM)の波長数増加による大容量化が行われてきた。一波長当たりの伝送速度がさらに上がれば、より少ない波長数で大容量化できるため、ネットワーク機器の小型化・低消費電力化につながると期待されている。このため一波長当たりの伝送速度を上げるために、多値化技術や時間軸上で高速化を行う技術の研究が世界各所で行われている。

時間軸上で高速化を行う光時分割多重方式(OTDM)を用いた100Gbps以上の超高速通信では、通常の電子回路デバイスでは信号処理速度が追いつかないために、電子回路で処理ができる伝送速度に下げるためのデバイスが必要となり、光を使って光信号を制御する超高速の光ゲートスイッチの実現が重要とされており、この超高速光ゲートスイッチなどの機能を半導体素子上に集積化した実用的な小型超高速光送受信器が実現されれば、高精細動画像などの大容量情報をリアルタイムで送受信することが必要となる遠隔医療、テレビ会議などのサービスがより具体化できるものと期待されている。

産総研では、InGaAs/AlAsSbの半導体材料を用いた超薄膜量子井戸に生じるサブバンド間遷移(ISBT)を利用した超高速全光ゲートスイッチ素子の開発を進めてきており、2007年には情報通信研究機構(NICT)と共同で、光によって光の位相を超高速制御できる全光位相変調効果というISBTに関連した現象を発見していた。

図1:上が従来型の光ゲートスイッチ(左)とモノリシック集積技術により小型化された全半導体光ゲートスイッチ素子(右)のサイズ比較の概要図。下が光ゲートスイッチ素子の顕微鏡写真と160Gbps光入力信号から40Gbps光信号を多重分離する動作の説明の概要図

同全光位相変調効果を光ゲートスイッチに応用して、スーパーハイビジョン(SHV)信号を送受信できる小型光送受信装置の開発を、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)のプロジェクト「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」(2007年度～2011年度)のなかで行っており、これまで、空間光学系を用いたマッハツェンダ干渉計型の光ゲートスイッチモジュールを開発、160Gbps信号から40Gbps信号へと多重分離することに成功していたほか、2009年10月には、日本放送協会のNHK放送技術研究所と協力し、光時分割多重されたSHV信号を送受信するシステム実証を行っていた。

しかし、この光ゲートスイッチモジュールの筐体は10cm角程度と大きく、内部の干渉条件を安定化する複雑な機構が必要であった。また、40Gbps信号を4チャネル時間多重した160Gbpsの光送受信装置は、4個の光ゲートスイッチがモジュール内に必要であったが、これらの調整は非常に困難であった。

図2 超高速光送受信装置を用いた光ネットワークの概念図

今回、研究グループは、これらの課題を解決するために、光ゲートスイッチ素子の小型・集積化技術の開発に取り組んだ。

具体的には、半導体の微細加工技術によりISBTによる全光位相変調効果をもつ光導波路と干渉計を構成する光回路をInP基板上に集積化し、全半導体光ゲートスイッチ素子を作製した。素子の面積は、1x0.3mm2で、以前に開発した空間光学系の光ゲートスイッチモジュールの干渉計部の面積(10cm2)に比べて1/10000以下に小型化できたこととなる。

また、今回開発した技術では、多数の光ゲートスイッチ素子を含むウェハを、ドライエッチング法で1回加工するだけで集積化できるため経済的な問題も解決することができるほか、レーザー光源、光増幅器、受光器などへの集積化も可能であり、高度な機能をもつ光デバイスへの展開も期待できるという。

今回開発されたモノリシック集積型の光ゲートスイッチ素子は、ISBTを生じないTE偏波を信号光とし、制御光にはISBTによって吸収されるTM偏波を用いている。

図3 モノリシック集積化光ゲートスイッチ素子の光回路構成

ポート1から入力された信号光は素子内部の分岐部で2分割される。制御光のISBT吸収によって屈折率が変化したアーム1内の導波路を往復することで位相を変調された信号光と、屈折率変化のないアーム2内の導波路を往復した信号光を分岐部で再び合波して干渉させる。両方の信号光の位相の違いにより、干渉した信号光の行き先が変わることを利用して、多重分離した信号光がポート2から出力するように光回路が設計されており、これにより、制御光によって信号光をスイッチングすることができる。

ISBTによる位相変調が数ピコ秒の超高速現象であるため、超高速なスイッチング動作が可能であるという。なお、今回は従来のマンハツェンダ型ではなく、位相を変調する導波路部分と制御光の導入部をきわめて近位置にすることができるマイケルソン型の干渉計を採用している。

また、光ゲートスイッチは干渉計を用いているため、干渉の明暗の差をなるべく大きくした方がスイッチとしての性能が良くなる。このためにはアーム1と2の信号光の強度をできる限り等しくする必要があるが、一般に強い制御光がアーム1の導波路内で吸収されると、発熱によりアーム1側の光信号に光損失が発生し、アーム間の光強度のバランスが崩れることから、これを避けるために、アーム2側にはマッハツェンダ干渉計を使った光可変減衰器が付け加えられ、光強度のバランスを一定に保つように工夫が施されている。

図4 光ゲート素子の評価の様子(上)と評価中の光ゲートスイッチ素子の赤外顕微鏡写真(下)

同素子の光ゲートスイッチ動作の評価を行った。実際には、図4(上)の説明図に示されているように、信号光として波長1560nmのTE偏波の連続波光をポート1より入射し、制御光としては、波長1545nm、パルス幅2.4ピコ秒、繰り返し10GHz、パルスエネルギー8.7pJのTM偏波の光パルスをポート3より入射した。

図5 上が光ゲートスイッチ動作の説明図。下が光ゲートスイッチの動作特性　ポート1へ戻った信号光とポート2へスイッチされた信号光の時間波形

図5(下)は、ポート2へ出力された信号光、図5(上)は、ポート1へ戻ってきた信号光の強度の時間変化で、ポート3に入射された制御パルスに同期して、ポート1へ入力した信号光の一部がポート2へ高速にスイッチされて出力している。制御光が入射しないときには信号光はポート1へ戻るという、光ゲートスイッチ動作の様子が確認できたほか、同実験条件では、制御光を入射したときの、信号光の位相変化は最大πラジアン(波長の半分に相当)であり、100%の信号光が、ポート2へスイッチングされているのが確認できた。ポート2へ出力された光信号の時間波形から、光ゲートスイッチ動作の時間幅を評価すると、光トランシーバーに搭載する光ゲートの応答速度の要求性能を満たしていることが確認されたという。

図6 160Gbps光分割多重入力信号(上)と多重分離された40Gbps信号(下)

なお、研究グループでは、今後は光ゲートスイッチの集積度を上げるとともに、パルス光源、光増幅器、受光器、電子回路を集積化する技術を開発する必要があるため、これらの要素技術を開発しつつ、最終的は高精細動画像の160Gbpsやさらに高速の光信号を遅延なく送受信できる超高速光送受信装置の実現を目指すとしている。