JP5483655B1

JP5483655B1 - Optical storage device

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Publication number: JP5483655B1
Application number: JP2013145608A
Authority: JP
Inventors: 孝明硴塚; 浩司武田; 具就佐藤; 浩一長谷部; 慎治松尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: JP2015018589A

Abstract

【課題】小型かつ低消費電力動作が可能な光メモリの実現を課題とする。
【解決手段】本発明は、線欠陥導波路が形成されたフォトニック結晶共振器であって、前記線欠陥導波路中に、活性層領域と、前記活性層と同一組成からなる可飽和吸収領域と、前記活性層領域と前記可飽和吸収領域とを電気的に分離する分離層とが形成された、フォトニック結晶共振器により構成され、前記フォトニック結晶共振器の共振器波長は、前記半導体スラブ構造及び前記分離層のバンドギャップ波長に対して長波長に設定され、前記分離層のバンドギャップ波長は、前記活性層領域と前記可飽和吸収領域のバンドギャップ波長よりも短波長に設定されることを特徴とする光記憶装置である。
【選択図】図１An object of the present invention is to realize an optical memory that is small and can operate with low power consumption.
The present invention relates to a photonic crystal resonator in which a line defect waveguide is formed, wherein an active layer region and a saturable absorption region having the same composition as the active layer are formed in the line defect waveguide. And a photonic crystal resonator in which a separation layer for electrically separating the active layer region and the saturable absorption region is formed, and the resonator wavelength of the photonic crystal resonator is the semiconductor wavelength The slab structure and the separation layer are set to have a longer wavelength than the band gap wavelength, and the separation layer has a band gap wavelength shorter than the band gap wavelengths of the active layer region and the saturable absorption region. This is an optical storage device.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、ルータ及びスイッチなどの光信号処理装置に関するものであり、より詳細には、光信号を扱う為の光記憶装置および光バッファに関するものである。 The present invention relates to an optical signal processing device such as a router and a switch, and more particularly to an optical storage device and an optical buffer for handling an optical signal.

近年のネットワークトラフィック量の増大に対応すべく、通信システムの大容量化が著しい。光ファイバ通信システムは、これらネットワークの大容量化をもたらすべく発展を続けている。特に大容量化のブレークスルーとなったのは波長分割多重（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術である。波長分割多重技術では、一本の光ファイバ上に複数波長に情報を載せることで飛躍的な大容量化が進み、実験レベルでは１００Ｔｂ／ｓを超える伝送容量が実現されている。これら光伝送の高速・大容量化に伴い、ネットワーク装置における部品点数の増加、高速化による消費電力の増大が課題として顕在化してきた。そのため、効率的・経済的なネットワーク運用をめざし、光のままで経路を切り替えて光−電気変換の回数を削減し、低消費電力、低遅延、さらに柔軟なネットワーク構成を可能とするフォトニックネットワークの検討が加速している。現在はＲＯＡＤＭなどのパスルーティングに基づいたネットワーク構築が実用化段階であり、究極的には、全ての光信号をバースト及びパケット単位で光のまま経路を切り替えて低消費電力・低遅延を実現する、バーストスイッチング、パケットスイッチングを用いた光ルータの実現が期待される。光ルータの実現においては、光パケットの衝突回避の為にパケットをバッファリングする機構が必須であるが、これまで、実用レベルの光メモリが実現していないことから、全光信号処理の実用化には至っていない。 In order to cope with the increase in the amount of network traffic in recent years, the capacity of communication systems has increased significantly. Optical fiber communication systems continue to develop to increase the capacity of these networks. In particular, the breakthrough for increasing the capacity is the Wavelength Division Multiplexing technology. In the wavelength division multiplexing technology, the information capacity is increased dramatically by placing information on a plurality of wavelengths on a single optical fiber, and a transmission capacity exceeding 100 Tb / s is realized at the experimental level. As the speed and capacity of these optical transmissions increase, the number of parts in the network device and the increase in power consumption due to the increase in speed have become a problem. Therefore, aiming for efficient and economical network operation, the photonic network enables low-power consumption, low-latency, and flexible network configuration by switching the path while maintaining the light and reducing the number of optical-electrical conversions. The examination of is accelerating. Currently, network construction based on path routing, such as ROADM, is in the practical stage, and ultimately, all optical signals are switched in the form of light in bursts and packets to realize low power consumption and low delay. Realization of optical routers using burst switching and packet switching is expected. In the realization of optical routers, a mechanism for buffering packets to avoid collision of optical packets is indispensable. However, since no practical optical memory has been realized so far, practical use of all-optical signal processing has become impossible. Has not reached.

国際公開ＷＯ２０１１／０２７５５５号公報International Publication WO2011 / 027555

M. Takenaka and Y. Nakano, “Multimode Interference Bistable Laser Diode,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, no.8, August 2003, pp. 1035-1037.M. Takenaka and Y. Nakano, “Multimode Interference Bistable Laser Diode,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 15, no.8, August 2003, pp. 1035-1037.

光メモリとしては、小型、低消費エネルギー、さらには集積性が求められる。これまでに、光半導体を用いた光メモリが報告されており、レーザの双安定動作、光フィルタの透過特性の双安定動作を用いた光メモリが提案されている。中でも双安定レーザはメモリの保持時間に制限がないことから、システムを構築する際にバッファ時間を自由に設定することができる。双安定レーザについては、これまでに可飽和吸収や面発光レーザの偏光切替、ＤＢＲレーザの発振波長切替などの手法が報告されている。特に可飽和吸収型の半導体レーザは、駆動方法や素子構成が簡易であることが特徴である。しかし、これまでに報告されている可飽和吸収型の半導体レーザは、ＤＦＢレーザ型、ＭＭＩ型、共に素子長が数１００μｍ程度以上であり、素子サイズと動作パワーが大きく、多ビット化に向けた集積化が困難であることが課題であった。 The optical memory is required to be small in size, low in energy consumption, and further integrated. So far, an optical memory using an optical semiconductor has been reported, and an optical memory using a bistable operation of a laser and a bistable operation of a transmission characteristic of an optical filter has been proposed. In particular, since the bistable laser has no limitation on the memory retention time, the buffer time can be freely set when the system is constructed. For bistable lasers, techniques such as saturable absorption, polarization switching of surface emitting lasers, and switching of oscillation wavelength of DBR lasers have been reported so far. In particular, saturable absorption type semiconductor lasers are characterized by a simple driving method and element configuration. However, the saturable absorption type semiconductor lasers reported so far are both DFB laser type and MMI type, and the element length is about several hundred μm or more, the element size and the operating power are large, and the number of bits is increased. The problem was that integration was difficult.

以上の背景を鑑み、本発明では、小型かつ低消費電力動作が可能な光メモリの実現を課題とする。 In view of the above background, an object of the present invention is to realize an optical memory that is small in size and capable of operating with low power consumption.

このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、周期的なエアホールを有する半導体スラブ構造に形成された線欠陥導波路中に、活性層領域と、前記活性層領域と同一組成からなる可飽和吸収領域と、前記活性層領域と前記可飽和吸収領域とを電気的に分離する分離層とが、前記線欠陥導波路の長手方向に沿って該直線状に形成されたフォトニック結晶共振器を備え、前記フォトニック結晶共振器の共振器波長は、前記半導体スラブ構造及び前記分離層のバンドギャップ波長に対して長波長に設定され、前記分離層のバンドギャップ波長は、前記活性層領域と前記可飽和吸収領域のバンドギャップ波長よりも短波長に設定されることを特徴とする光記憶装置である。 In order to solve such a problem, the invention described in claim 1 includes an active layer region, an active layer region, and a line defect waveguide formed in a semiconductor slab structure having periodic air holes. A saturable absorption region having the same composition and a separation layer for electrically separating the active layer region and the saturable absorption region are formed in a straight line along the longitudinal direction of the line defect waveguide. Comprising a photonic crystal resonator, wherein the resonator wavelength of the photonic crystal resonator is set to be longer than the band gap wavelength of the semiconductor slab structure and the separation layer, and the band gap wavelength of the separation layer is The optical storage device is characterized in that the wavelength is set shorter than the band gap wavelength of the active layer region and the saturable absorption region.

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光記憶装置であって、前記半導体スラブ構造上の前記活性層領域の両側に、電流注入のための不純物領域を前記活性層領域に接するように形成することを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the optical storage device according to claim 1, wherein impurity regions for current injection are provided on both sides of the active layer region on the semiconductor slab structure. It forms so that it may touch.

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光記憶装置であって、前記フォトニクック結晶共振器の前記活性層領域には双安定のレーザ発振状態となるバイアスが印加され、前記活性層領域に第１の光パルスを入射して前記フォトニック結晶共振器から第１の強度の出力光を出力させ、前記活性層領域に第２の光パルスを入射して前記フォトニック結晶共振器から前記第１の強度よりも低い第２の強度の出力光を出力させることを特徴とする。 A third aspect of the present invention is the optical storage device according to the first or second aspect, wherein the active layer region of the photonic crystal resonator has a bias that causes a bistable laser oscillation state. Applied, the first light pulse is incident on the active layer region to output output light having a first intensity from the photonic crystal resonator, and the second light pulse is incident on the active layer region Output light having a second intensity lower than the first intensity is output from the photonic crystal resonator.

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光記憶装置であって、前記第１の光パルスおよび第２の光パルスは、前記活性層領域に直接照射される、あるいは前記線欠陥導波路内から入射されることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the optical storage device according to claim 3, wherein the first optical pulse and the second optical pulse are directly applied to the active layer region, or It is incident from the inside of a line defect waveguide.

また、請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の光記憶装置であって、前記バイアスは、光励起によるバイアス、あるいは電流注入によるバイアス、あるいは両者の組み合わせであることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the optical storage device according to claim 3, wherein the bias is a bias due to optical excitation, a bias due to current injection, or a combination of both.

また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光記憶装置であって、前記活性層領域、前記可飽和吸収領域及び前記分離層は、ＩｎＧａＡｓＰ材料により形成されることを特徴とする。 The invention according to claim 6 is the optical storage device according to any one of claims 1 to 5, wherein the active layer region, the saturable absorption region, and the separation layer are made of InGaAsP material. It is formed.

以上説明したように、本発明によれば、小型で集積可能、かつ消費電力の低い光メモリを実現することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize an optical memory that is small in size and can be integrated and has low power consumption.

本発明の第１の実施形態にかかる光記憶装置の素子の上面図である。1 is a top view of an element of an optical storage device according to a first embodiment of the present invention. 図１に記載の光記憶装置の素子のＡ−Ａ´における断面図である。It is sectional drawing in AA 'of the element of the optical storage device described in FIG. 図１に記載の光記憶装置の素子の電流、光出力特性を示す図である。It is a figure which shows the electric current of the element of the optical memory device of FIG. 1, and an optical output characteristic. 図１に記載の光記憶装置の素子の動作原理を説明する図である。It is a figure explaining the operation | movement principle of the element of the optical storage device described in FIG. 図１に記載の光記憶装置の素子の光励起、光出力特性を示す図である。It is a figure which shows the optical excitation of the element of the optical memory device of FIG. 1, and an optical output characteristic. 図１に記載の光記憶装置の素子の光メモリ動作を示す図である。It is a figure which shows the optical memory operation | movement of the element of the optical storage device described in FIG.

［装置の構成］
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光記憶装置の素子１００の上面図である。素子１００は、ＩｎＰ材料からなる化合物半導体のスラブ構造に周期的なエアホール１０２を有する２次元フォトニック結晶共振器であり、一列のみエアホールのない、線欠陥導波路１０３が形成されている。エアホール１０２の直径は、一例として２２０ｎｍであり、フォトニック結晶の共振器波長を１．５５μｍに設定する。 [Device configuration]
FIG. 1 is a top view of an element 100 of the optical storage device according to the first embodiment of the present invention. The element 100 is a two-dimensional photonic crystal resonator having periodic air holes 102 in a compound semiconductor slab structure made of InP material, and a line defect waveguide 103 having no air holes is formed in only one row. The diameter of the air hole 102 is 220 nm as an example, and the resonator wavelength of the photonic crystal is set to 1.55 μm.

この線欠陥導波路１０３の中央部にＩｎＧａＡｓＰからなるＩｎＧａＡａＰ層１１０を埋め込む。ＩｎＧａＡａＰ層１１０のサイズは、一例として幅０．５μｍ、線欠陥導波路方向の長さ４μｍである。また、ＩｎＧａＡａＰ層１１０の中央の一部分には、幅０．５μｍからなるＩｎＧａＡｓＰ分離層１１１が形成されている。ここでは、ＩｎＧａＡｓＰ分離層１１１により、ＩｎＧａＡａＰ層１１０を、レーザ活性層であるＩｎＧａＡａＰ活性層１１２とＩｎＧａＡａＰ可飽和吸収領域層１１３とに２分割する。ＩｎＧａＡｓＰ分離層１１１は、ＩｎＧａＡａＰ活性層１１２およびＩｎＧａＡａＰ可飽和吸収領域層１１３とは異なる組成で形成されており、それぞれ異なる結晶成長プロセスにて形成する。このとき、ＩｎＧａＡａＰ分離層１１１のバンドギャップ波長を、ＩｎＧａＡａＰ活性層１１２及びＩｎＧａＡａＰ可飽和吸収領域層１１３のバンドギャップ波長よりも短波長側に設定する。例えばＩｎＧａＡｓＰ活性層１１２及びＩｎＧａＡａＰ可飽和吸収領域層１１３のバンドギャップ波長を１．５５μｍ、ＩｎＧａＡｓＰ分離層１１１のバンドギャップ波長は１．２μｍに設定する。ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１２及びＩｎＧａＡａＰ可飽和吸収領域層１１３とＩｎＧａＡｓＰ分離層１１１とは実効屈折率が同一となるように設計する。 An InGaAaP layer 110 made of InGaAsP is buried in the center of the line defect waveguide 103. The size of the InGaAaP layer 110 is, for example, a width of 0.5 μm and a length in the line defect waveguide direction of 4 μm. In addition, an InGaAsP isolation layer 111 having a width of 0.5 μm is formed in a part of the center of the InGaAaP layer 110. Here, the InGaAaP layer 110 is divided into two by an InGaAsP isolation layer 111 into an InGaAaP active layer 112 which is a laser active layer and an InGaAaP saturable absorption region layer 113. The InGaAsP isolation layer 111 is formed with a composition different from that of the InGaAaP active layer 112 and the InGaAaP saturable absorption region layer 113, and is formed by different crystal growth processes. At this time, the band gap wavelength of the InGaAaP separation layer 111 is set to be shorter than the band gap wavelengths of the InGaAaP active layer 112 and the InGaAaP saturable absorption region layer 113. For example, the band gap wavelength of the InGaAsP active layer 112 and the InGaAaP saturable absorption region layer 113 is set to 1.55 μm, and the band gap wavelength of the InGaAsP separation layer 111 is set to 1.2 μm. The InGaAsP active layer 112, the InGaAaP saturable absorption region layer 113, and the InGaAsP separation layer 111 are designed to have the same effective refractive index.

また、線欠陥導波路１０３のｎ型ＩｎＰ領域１０５側には、光を取り出すための線欠陥導波路である出力導波路１０４が形成されている。線欠陥導波路１０３の途中にＩｎＧａＡａＰ層１１０を設けると、線欠陥導波路１０３を出力導波路として用いるよりも、出力導波路１０４を線欠陥導波路１０３と別に設けた方が高い効率で光を出力することができる。出力導波路１０４が形成されているｉ型ＩｎＰ領域１０１のバンドギャップ波長は０．９２μｍであり、フォトニック結晶の共振器波長１．５５μｍに対して短波長であるために、光損失のない透明領域となる。線欠陥導波路１０３の両側には、電流を流すために、Ｓｉなどのｎ型ドーパントとなる不純物を注入したｎ型ＩｎＰ領域１０５、Ｚｎなどのｐ型ドーパントとなる不純物を注入したｐ型ＩｎＰ領域１０６を形成する。このとき、２分割したＩｎＧａＡｓＰ層１１０のＩｎＧａＡａＰ活性層１１２のみに、ｎ型ＩｎＰ領域１０５とｐ型ＩｎＰ領域１０６とが接するようにする。ｎ型ＩｎＰ領域１０５の上にはｎ型電極１０７を、ｐ型ＩｎＰ領域１０６の上にはｐ型電極１０８を、電流注入を行うためにそれぞれ形成する。 An output waveguide 104 that is a line defect waveguide for extracting light is formed on the n-type InP region 105 side of the line defect waveguide 103. When the InGaAaP layer 110 is provided in the middle of the line defect waveguide 103, it is more efficient to provide the output waveguide 104 separately from the line defect waveguide 103 than to use the line defect waveguide 103 as an output waveguide. Can be output. The i-type InP region 101 in which the output waveguide 104 is formed has a band gap wavelength of 0.92 μm and is shorter than the resonator wavelength of 1.55 μm of the photonic crystal. It becomes an area. On both sides of the line defect waveguide 103, an n-type InP region 105 into which an impurity serving as an n-type dopant such as Si is implanted and a p-type InP region into which an impurity serving as a p-type dopant such as Zn is implanted in order to pass a current. 106 is formed. At this time, the n-type InP region 105 and the p-type InP region 106 are in contact with only the InGaAaP active layer 112 of the two-divided InGaAsP layer 110. An n-type electrode 107 is formed on the n-type InP region 105, and a p-type electrode 108 is formed on the p-type InP region 106 for current injection.

図２は、図１に記載の光記憶装置の素子１００のＡ−Ａ´に渡る素子の垂直方向の断面図である。半絶縁性（ＳＩ）ＩｎＰ基板２１０の上に、一例としてＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓ層からなる厚さ２μｍの犠牲層（ＩｎＧａＡｓ犠牲層２２０）を形成する。ＩｎＧａＡｓ犠牲層２０２の上に、図１に示したＩｎＰ材料からなる厚さ２５０ｎｍのエアブリッジスラブ構造からなるフォトニック結晶共振器層２３０（光記憶装置素子１００）を形成する。このような中空構造のフォトニック結晶デバイスを作製する方法としては、例えば特許文献１などに開示されている。フォトニック結晶共振器層２３０の共振器のＱ値は１００００、共振波長は１．５５μｍである。ＩｎＧａＡａＰ活性層２３１は厚さ８ｎｍからなるバンドギャップ波長１．１μｍのバリア層を有する５層量子井戸活性層から形成されている。ＩｎＧａＡａＰ活性層２３１の一方はドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｎ型不純物領域（ｎ型ＩｎＰ層２３２）となっており、他方はドーピング濃度１×１０^１８ｃｍ^−３のｐ型不純物領域（ｐ型ＩｎＰ層２３３）となっている。ｎ型ＩｎＰ層２３２及びｐ型ＩｎＰ層２３３には、厚さ３００ｎｍ、ドーピング濃度１×１０^１９ｃｍ^−３のＩｎＧａＡｓコンタクト層２３４、２３５がそれぞれ形成してあり、コンタクト層２３４上にはｎ電極２３６が、コンタクト層２３５上にはｐ電極２３７が形成してある。 2 is a vertical cross-sectional view of the element across AA ′ of the element 100 of the optical storage device shown in FIG. As an example, a 2 μm-thick sacrificial layer (InGaAs sacrificial layer 220) made of an InGaAs layer lattice-matched to InP is formed on a semi-insulating (SI) InP substrate 210. On the InGaAs sacrificial layer 202, a photonic crystal resonator layer 230 (optical storage device element 100) having an air bridge slab structure having a thickness of 250 nm made of the InP material shown in FIG. 1 is formed. As a method of manufacturing such a hollow structure photonic crystal device, for example, Patent Document 1 discloses. The Q value of the resonator of the photonic crystal resonator layer 230 is 10,000, and the resonance wavelength is 1.55 μm. The InGaAaP active layer 231 is formed of a five-layer quantum well active layer having a barrier layer with a band gap wavelength of 1.1 μm having a thickness of 8 nm. One InGaAaP active layer 231 is a n-type impurity region doping concentration 1 × ¹⁰ 18 ^{cm -3} (n-type InP layer 232) and the other p-type impurity region doping concentration 1 × ¹⁰ 18 ^{cm -3} ( p-type InP layer 233). The n-type InP layer 232 and the p-type InP layer 233 are formed with InGaAs contact layers 234 and 235 having a thickness of 300 nm and a doping concentration of 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , respectively, and an n-electrode 236 is formed on the contact layer 234. However, a p-electrode 237 is formed on the contact layer 235.

各半導体層の結晶成長は有機気相金属成長法（ＭＯＶＰＥ）等の従来型の結晶成長手法で作製可能である。また、ＩｎＧａＡａＰ活性層およびＩｎＧａＡｓＰ分離層の作製は、バットジョイント選択成長の手法を用いることにより作製可能である。例えば、ＩｎＧａＡａＰ活性層の元エピタキシャルウエハを成長後、活性層領域、可飽和吸収領域部分にマスクを形成して、不要部分をエッチングで除去し、ＩｎＧａＡｓＰ分離層を再成長すればよい。エアホールの作成については、電子ビーム露光を用いてマスクパタンを描画し、ウェットエッチングおよびドライエッチングを用いて作製できる。ｎ型領域及びｐ型領域は、ＭＯＶＰＥ等を用いたドーピング領域の選択成長や、イオン拡散、熱拡散による不純物の導入により作製可能である。エアブリッジの作成については、ＩｎＧａＡｓの選択エッチングにより作製できる。 Crystal growth of each semiconductor layer can be made by a conventional crystal growth method such as organic vapor phase metal growth (MOVPE). The InGaAaP active layer and the InGaAsP separation layer can be produced by using a butt joint selective growth technique. For example, after growing the original epitaxial wafer of the InGaAaP active layer, a mask may be formed in the active layer region and the saturable absorption region, unnecessary portions may be removed by etching, and the InGaAsP isolation layer may be regrown. The air hole can be created by drawing a mask pattern using electron beam exposure and using wet etching and dry etching. The n-type region and the p-type region can be produced by selective growth of a doping region using MOVPE or the like, or introduction of impurities by ion diffusion or thermal diffusion. The air bridge can be formed by selective etching of InGaAs.

図１に記載の光記憶装置の素子１００の発振特性を説明する。図３は、図１に記載の光記憶装置の素子１００の電流、光出力特性を示す図表である。ｐ側電極、ｎ側電極間に順バイアスを印加し、活性層に電流注入を行う。注入電流を増加させていくと電流値Ｉｔｈ２付近でレーザ発振が生じ、電流−光曲線は急激に立ち上がる。一方、発振状態から電流を下げていくと、出力光が減少していくが、電流値Ｉｔｈ２以下においても発振状態が継続し、Ｉｔｈ１において初めて発振が停止する。すなわち、駆動電流Ｉｔｈ１、Ｉｔｈ２の間で発振出力は双安定状態となる。発振波長は１．５５μｍ付近である。 The oscillation characteristics of the element 100 of the optical storage device shown in FIG. 1 will be described. FIG. 3 is a chart showing current and light output characteristics of the element 100 of the optical storage device shown in FIG. A forward bias is applied between the p-side electrode and the n-side electrode to inject current into the active layer. As the injection current is increased, laser oscillation occurs near the current value Ith2, and the current-light curve rises rapidly. On the other hand, when the current is lowered from the oscillation state, the output light decreases. However, the oscillation state continues even at the current value Ith2 or less, and oscillation stops for the first time at Ith1. That is, the oscillation output is in a bistable state between the drive currents Ith1 and Ith2. The oscillation wavelength is around 1.55 μm.

図１に記載の光記憶装置の素子１００の双安定動作について説明する。図４は、図１に記載の光記憶装置の素子１００の動作原理を説明する図表である。図４（ａ）は、図３に示した光記憶装置の素子１００の電流、光出力特性を示す図と同一の図表である。図４（ｂ）は図４（ａ）に示した各発振状態における（１）から（４）に対応する線欠陥導波路内の活性層におけるキャリア分布と利得・吸収（共振器損）分布、発振モード分布を示す。図４（ｂ）は、活性層領域、分離層領域、可飽和吸収領域の実効屈折率を合わせているため、これらの領域を合わせて一つの共振器とみなしたモード分布となる。 A bistable operation of the element 100 of the optical storage device illustrated in FIG. 1 will be described. FIG. 4 is a chart for explaining the operation principle of the element 100 of the optical storage device shown in FIG. FIG. 4A is the same chart as the diagram showing the current and light output characteristics of the element 100 of the optical storage device shown in FIG. FIG. 4B shows carrier distribution and gain / absorption (resonator loss) distribution in the active layer in the line defect waveguide corresponding to (1) to (4) in each oscillation state shown in FIG. The oscillation mode distribution is shown. In FIG. 4B, since the effective refractive indexes of the active layer region, the separation layer region, and the saturable absorption region are combined, these regions are combined to form a mode distribution that is regarded as one resonator.

図１の素子１００は、共振器の一部に活性層が形成されており、図１に示すように、ＩｎＧａＡａＰ活性層１１２のみに電流注入を行うように構成されている。活性層領域に電流を注入すると（図４（ａ）（１）〜（２））、図４（ｂ）（１）（２）に示すように活性層のみにキャリアが励起され、利得が発生する。しかし、可飽和吸収が吸収領域であるために、この領域では利得が吸収を上回らず、発振に至らない。 The element 100 of FIG. 1 has an active layer formed in a part of the resonator, and is configured to inject current only into the InGaAaP active layer 112 as shown in FIG. When current is injected into the active layer region (FIGS. 4 (a) (1) and (2)), carriers are excited only in the active layer as shown in FIGS. To do. However, since saturable absorption is in the absorption region, gain does not exceed absorption in this region, and oscillation does not occur.

図４（ａ）（２）からさらに電流注入量を増加すると（図４（ａ）（３））、電流値がＩｔｈ２に達した時点で利得が吸収とつり合い、レーザ発振が生じる。このときのキャリア、利得分布は図４（ｂ）（３）のようになる。 When the current injection amount is further increased from FIGS. 4A and 4B (FIGS. 4A and 3), the gain balances with the absorption when the current value reaches Ith2, and laser oscillation occurs. Carrier and gain distributions at this time are as shown in FIGS.

光出力が高くなると、これまで吸収領域であった可飽和吸収領域層は、発振光の注入によって透明領域となる。したがって、注入電流を下げ、電流値がＩｔｈ２を下回った場合（図４（ａ）（４））でも、可飽和吸収領域が未だ透明領域となっているために、電流値がＩｔｈ１に下がるまで発振状態が継続する（図４（ｂ）（４））。 When the light output becomes high, the saturable absorption region layer that has been the absorption region until now becomes a transparent region by the injection of oscillation light. Therefore, even when the injection current is lowered and the current value falls below Ith2 (FIGS. 4A and 4), the saturable absorption region is still a transparent region, so oscillation occurs until the current value falls to Ith1. The state continues (FIGS. 4B and 4).

また、図１に記載の光記憶装置の素子１００のＩｎＧａＡａＰ活性層１１２に光注入による光励起を行った場合の動作を説明する。図５は、図１に記載の光記憶装置の素子１００の光励起、光出力特性を示す図である。 In addition, an operation when light excitation by light injection is performed on the InGaAaP active layer 112 of the element 100 of the optical storage device illustrated in FIG. 1 will be described. FIG. 5 is a diagram showing optical excitation and optical output characteristics of the element 100 of the optical storage device shown in FIG.

励起光の波長は、活性層ＩｎＧａＡａＰ１１２のバンドギャップ波長１．５５μｍよりも短波長、かつＩｎＧａＡｓＰ分離層１１１のバンドギャップ波長１．２μｍよりも長波長に設定する。このことにより、ＩｎＧａＡｓＰ分離層１１１では光吸収によるキャリアは発生せず、活性層のみを励起することができる。波長１．３μｍの光をＩｎＧａＡａＰ活性層のみに照射し増大させていくと、励起光パワーＰｔｈ２付近でレーザ発振が生じ、光−光曲線は急激に立ち上がる。一方、発振状態から励起光パワーを下げていくと、出力光が減少していくが、励起光パワーＰｔｈ２以下においても発振状態が継続し、Ｐｔｈ１において初めて発振が停止する。すなわち、励起光パワーＰｔｈ１、Ｐｔｈ２の間で発振出力は双安定状態となる。 The wavelength of the excitation light is set to a wavelength shorter than the band gap wavelength 1.55 μm of the active layer InGaAaP 112 and longer than the band gap wavelength 1.2 μm of the InGaAsP separation layer 111. Thus, in the InGaAsP separation layer 111, carriers due to light absorption are not generated, and only the active layer can be excited. When light having a wavelength of 1.3 μm is irradiated and increased only on the InGaAaP active layer, laser oscillation occurs near the excitation light power Pth2, and the light-light curve rises rapidly. On the other hand, when the pumping light power is lowered from the oscillation state, the output light decreases, but the oscillation state continues even at the pumping light power Pth2 or less, and oscillation stops for the first time at Pth1. That is, the oscillation output is in a bistable state between the pumping light powers Pth1 and Pth2.

光記憶装置の素子１００のＩｎＧａＡａＰ活性層１１２に光注入による光励起を行った場合の動作原理は、図４に示す電流注入の場合と同様である。従って、本素子は電流励起、光励起共に双安定状態を実現できる。 The principle of operation when light excitation by light injection is performed on the InGaAaP active layer 112 of the element 100 of the optical memory device is the same as in the case of current injection shown in FIG. Therefore, this element can realize a bistable state in both current excitation and optical excitation.

可飽和吸収領域を用いた双安定動作を実現するためには、活性層領域と可飽和吸収領域の間の電気的な分離が必須である。本発明のような数ミクロン長の微小共振器を用いる場合、キャリアの拡散長と活性層長がほぼ同等となるため、活性層と可飽和吸収領域間のキャリアの移動の抑制が必須となる。本発明では、活性層の両側のみに電流を注入するためのｐｉｎ構造が形成されており、活性層のみに電流注入を行うことができる。さらに、前述したように、分離層のバンドギャップ波長を活性層のバンドギャップ波長よりも短波長に設定しているため、分離層がキャリアに対する障壁層として機能する。すなわち、活性層に注入されたキャリアが可飽和吸収領域に移動することがなく、図４に示したように、活性層と可飽和吸収領域間で、キャリアの分布が独立に保たれる効果を有する。 In order to realize a bistable operation using the saturable absorption region, electrical separation between the active layer region and the saturable absorption region is essential. When a microresonator having a length of several microns as in the present invention is used, since the carrier diffusion length and the active layer length are substantially equal, it is essential to suppress the movement of carriers between the active layer and the saturable absorption region. In the present invention, a pin structure for injecting current only on both sides of the active layer is formed, and current injection can be performed only on the active layer. Furthermore, as described above, since the band gap wavelength of the separation layer is set to be shorter than the band gap wavelength of the active layer, the separation layer functions as a barrier layer for carriers. That is, carriers injected into the active layer do not move to the saturable absorption region, and the carrier distribution is maintained independently between the active layer and the saturable absorption region as shown in FIG. Have.

次に、図１に記載の光記憶装置の素子１００を光メモリとして使用した場合の駆動方法の一例及びその動作について説明する。図６は、図１に記載の光記憶装置の素子１００の光メモリ動作を示す図である。図６（ａ）は、図５に示した光記憶装置の素子１００の光励起、光出力特性を示す図表と同一の図表である。図６（ｂ）は、光記憶装置の励起光の入力と出力との関係である。 Next, an example of a driving method and its operation when the element 100 of the optical storage device shown in FIG. 1 is used as an optical memory will be described. FIG. 6 is a diagram showing an optical memory operation of the element 100 of the optical storage device shown in FIG. FIG. 6A is the same chart as the chart showing the optical excitation and optical output characteristics of the element 100 of the optical storage device shown in FIG. FIG. 6B shows the relationship between the input and output of the excitation light of the optical storage device.

まず、図１のｎ電極１０７、ｐ電極１０８から中央部分のＩｎＧａＡｓＰ活性層１１２に電流注入を行い、電流値をＩｔｈ１付近に設定する。ここで、図６（ａ）の（２）（４）に対応する双安定領域付近に波長１．３μｍの励起光バイアスを設定し、素子の上部方向から、ＩｎＧａＡｓＰ活性層１１２のみを励起する。セット光の励起光パワーを図６（ａ）の（３）の領域、リセット光の励起光パワーを図６（ａ）の（１）の領域に設定する。 First, current is injected from the n-electrode 107 and the p-electrode 108 of FIG. 1 into the InGaAsP active layer 112 at the center, and the current value is set in the vicinity of Ith1. Here, an excitation light bias having a wavelength of 1.3 μm is set in the vicinity of the bistable region corresponding to (2) and (4) in FIG. 6A, and only the InGaAsP active layer 112 is excited from above the element. The pumping light power of the set light is set in the region (3) in FIG. 6A, and the pumping light power of the reset light is set in the region (1) in FIG.

このとき、図６（ｂ−１）のように、中央のＩｎＧａＡｓＰ活性層１１２にセット光パルスを入力することにより、素子１００は、出力の高い発振状態（４）となり、強い強度の光を出力する。次に、中央のＩｎＧａＡｓＰ活性層１１２にリセット光パルスを入力することにより、素子１００は、出力の低い状態（２）へと切り替わり、低い強度の光を出力することができる。光記憶装置の素子１００は、この強度の違いを０と１に対応させて、メモリとして動作する。 At this time, as shown in FIG. 6 (b-1), by inputting a set light pulse to the central InGaAsP active layer 112, the element 100 enters a high output oscillation state (4), and outputs strong light. To do. Next, by inputting a reset light pulse to the central InGaAsP active layer 112, the element 100 can switch to a low output state (2) and output light of low intensity. The element 100 of the optical storage device operates as a memory with the difference in intensity corresponding to 0 and 1.

また、図１に記載の光記憶装置の素子１００を光メモリとして使用した場合の駆動方法の他の例及びその動作について説明する。 Further, another example of the driving method and its operation when the element 100 of the optical storage device shown in FIG. 1 is used as an optical memory will be described.

図１に記載の光記憶装置の素子１００の中央部分のＩｎＧａＡｓＰ活性層１１２に電流注入を行い、電流値をＩｔｈ１付近に設定する。ここで、図６（ａ）の（２）（４）に対応する、双安定領域付近に設定した波長１．３μｍの励起光バイアスを光記憶装置の素子１００の入力導波路１０３から入射する。このとき、入力側のＩｎＧａＡｓＰ可飽和吸収層１１３も励起されるが、主としてＩｎＧａＡｓＰ活性層１１２のみが励起されることから、可飽和吸収領域層の機能は、素子の上部方向から中央のＩｎＧａＡｓＰ活性層１１２のみを励起する場合とほぼ同等である。セット光の励起光パワーを図６（ａ）の（３）の領域、リセット光の励起光パワーを図６（ａ）の（１）の領域に設定する。 Current is injected into the InGaAsP active layer 112 at the center of the element 100 of the optical storage device shown in FIG. 1, and the current value is set in the vicinity of Ith1. Here, an excitation light bias having a wavelength of 1.3 μm set in the vicinity of the bistable region corresponding to (2) and (4) in FIG. 6A is made incident from the input waveguide 103 of the element 100 of the optical storage device. At this time, although the InGaAsP saturable absorption layer 113 on the input side is also excited, only the InGaAsP active layer 112 is mainly excited. Therefore, the function of the saturable absorption region layer is the center InGaAsP active layer from the upper direction of the device. This is almost the same as the case where only 112 is excited. The pumping light power of the set light is set in the region (3) in FIG. 6A, and the pumping light power of the reset light is set in the region (1) in FIG.

本素子のサイズは、共振器面積においてμｍ^２のオーダであり、従来構造の導波路型レーザが１００μｍ^２のオーダであることと比較して、１００分の１以下の小型化を実現することができる。また、本構造では、レーザ共振器をフォトニック結晶により形成したために極めて高いＱ値を有しており、レーザの閾値電流は１〜１０μＡ程度である。この値は一般的な導波路型レーザの閾値電流が１０〜１００ｍＡ程度であるのに対して１／１００００以下の値である。また、小型の活性層を有するレーザとしては面発光レーザが代表的であるが、閾値は０．１〜１ｍＡ程度であり、１／１０００〜１／１００程度の値での動作が見込まれる。このように、従来の半導体レーザ型光メモリと比較して１／１００以下にバイアス電流が抑制されるために、極めて低い消費エネルギーでメモリ動作を行うことが可能である。加えて、応答時間は数１０ｐｓ以下であり、Gb/sを超える高速なメモリ動作が可能である。 The size of this element is on the order of μm ^{2 in} the resonator area, and it is possible to realize downsizing of 1/100 or less as compared with the waveguide type laser of the conventional structure on the order of 100 μm ^2. it can. Further, in this structure, since the laser resonator is formed of a photonic crystal, it has a very high Q value, and the threshold current of the laser is about 1 to 10 μA. This value is 1 / 10,000 or less while the threshold current of a general waveguide laser is about 10 to 100 mA. As a laser having a small active layer, a surface emitting laser is typical, but the threshold is about 0.1 to 1 mA, and an operation at a value of about 1/1000 to 1/100 is expected. As described above, since the bias current is suppressed to 1/100 or less as compared with the conventional semiconductor laser type optical memory, it is possible to perform the memory operation with extremely low energy consumption. In addition, the response time is several tens ps or less, and a high-speed memory operation exceeding Gb / s is possible.

また、図１に記載の光記憶装置の素子構造では、フォトニック結晶スラブのバンドギャップ波長がレーザの動作波長に対して短波長に設定されており、光損失のない透明領域に設定されている。すなわち、フォトニック結晶を用いた導波路や光フィルタ等のパッシブデバイスとの集積が容易であり、本素子を多数集積した多ビット化の構成が容易であることも特徴である。 Further, in the element structure of the optical storage device shown in FIG. 1, the band gap wavelength of the photonic crystal slab is set to a short wavelength with respect to the operating wavelength of the laser, and is set to a transparent region without optical loss. . That is, it is easy to integrate with a passive device such as a waveguide or an optical filter using a photonic crystal, and is also characterized by a multi-bit configuration in which a large number of the elements are integrated.

［その他の構成］
図１において、光記憶装置の素子の材料系としてＩｎＧａＡｓＰを用いたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ等、その他の材料系でも実現可能である。また、光記憶装置の共振器構造には線欠陥導波路を用いたが、その他の共振器構造を用いても同様の効果が得られる。また、光メモリのメモリ動作において、発振付近までの励起は電流を用いたが、光バイアスを用いても同様の効果が得られることは明らかである。 [Other configurations]
In FIG. 1, InGaAsP is used as the material system of the element of the optical storage device, but other material systems such as InGaAlAs can be realized. Further, although the line defect waveguide is used for the resonator structure of the optical storage device, the same effect can be obtained even if other resonator structures are used. Further, in the memory operation of the optical memory, the current is used for the excitation up to the vicinity of the oscillation, but it is clear that the same effect can be obtained even if the optical bias is used.

１００、２３０光記憶装置素子
１０１ｉ−ＩｎＰ領域
１０２エアホール
１０３線欠陥導波路
１０４出力導波路
１０５、２３２ｎ−ＩｎＰ領域
１０６、２３３ｐ−ＩｎＰ領域
１０７、２３６ｎ電極
１０８、２３７ｐ電極
１１０ＩｎＧａＡａＰ層
１１１ＩｎＧａＡｓＰ分離層
１１２、２３１ＩｎＧａＡａＰ活性層
１１３ＩｎＧａＡａＰ可飽和吸収領域層
２１０半絶縁性ＩｎＰ基板
２２０ＩｎＧａＡｓ犠牲層
２３４、２３５ＩｎＧａＡｓコンタクト層 100, 230 Optical storage device element 101 i-InP region 102 Air hole 103 Line defect waveguide 104 Output waveguide 105, 232 n-InP region 106, 233 p-InP region 107, 236 n electrode 108, 237 p electrode 110 InGaAaP Layer 111 InGaAsP isolation layer 112, 231 InGaAaP active layer 113 InGaAaP saturable absorption region layer 210 Semi-insulating InP substrate 220 InGaAs sacrificial layer 234, 235 InGaAs contact layer

Claims

周期的なエアホールを有する半導体スラブ構造に形成された線欠陥導波路中に、
活性層領域と、前記活性層領域と同一組成からなる可飽和吸収領域と、前記活性層領域と前記可飽和吸収領域とを電気的に分離する分離層とが、前記線欠陥導波路の長手方向に沿って該直線状に形成されたフォトニック結晶共振器を備え、
前記フォトニック結晶共振器の共振器波長は、前記半導体スラブ構造及び前記分離層のバンドギャップ波長に対して長波長に設定され、前記分離層のバンドギャップ波長は、前記活性層領域と前記可飽和吸収領域のバンドギャップ波長よりも短波長に設定される
ことを特徴とする光記憶装置。 In a line defect waveguide formed in a semiconductor slab structure with periodic air holes,
An active layer region, a saturable absorption region having the same composition as the active layer region, and a separation layer that electrically separates the active layer region and the saturable absorption region from each other in the longitudinal direction of the line defect waveguide A photonic crystal resonator formed in a straight line along
The resonator wavelength of the photonic crystal resonator is set to be longer than the semiconductor slab structure and the bandgap wavelength of the separation layer, and the bandgap wavelength of the separation layer depends on the active layer region and the saturable layer. An optical storage device characterized by being set to a wavelength shorter than the band gap wavelength of the absorption region.

前記半導体スラブ構造上の前記活性層領域の両側に、電流注入のための不純物領域を前記活性層領域に接するように形成することを特徴とする請求項１に記載の光記憶装置。 2. The optical storage device according to claim 1, wherein impurity regions for current injection are formed on both sides of the active layer region on the semiconductor slab structure so as to be in contact with the active layer region.

前記フォトニクック結晶共振器の前記活性層領域には双安定のレーザ発振状態となるバイアスが印加され、
前記活性層領域に第１の光パルスを入射して前記フォトニック結晶共振器から第１の強度の出力光を出力させ、
前記活性層領域に第２の光パルスを入射して前記フォトニック結晶共振器から前記第１の強度よりも低い第２の強度の出力光を出力させる
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の光記憶装置。 A bias for applying a bistable laser oscillation state is applied to the active layer region of the photonic crystal resonator,
A first light pulse is incident on the active layer region to output output light having a first intensity from the photonic crystal resonator;
The second light pulse is incident on the active layer region, and output light having a second intensity lower than the first intensity is output from the photonic crystal resonator. 2. An optical storage device according to 1.

前記第１の光パルスおよび第２の光パルスは、前記活性層領域に直接照射される、あるいは前記線欠陥導波路内から入射されることを特徴とする請求項３に記載の光記憶装置。 4. The optical storage device according to claim 3, wherein the first optical pulse and the second optical pulse are directly irradiated on the active layer region or incident from within the line defect waveguide. 5.

前記バイアスは、光励起によるバイアス、あるいは電流注入によるバイアス、あるいは両者の組み合わせであることを特徴とする請求項３に記載の光記憶装置。 4. The optical storage device according to claim 3, wherein the bias is a bias due to optical excitation, a bias due to current injection, or a combination of both.

前記活性層領域、前記可飽和吸収領域及び前記分離層は、ＩｎＧａＡｓＰ材料により形成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光記憶装置。 6. The optical storage device according to claim 1, wherein the active layer region, the saturable absorption region, and the separation layer are formed of an InGaAsP material.