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平成18年11月2日

量子ドット光増幅器の偏光依存性を量子ドット光増幅器の偏光依存性を

解消する技術開発に成功解消する技術開発に成功

荒川 泰彦東京大学ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構 機構長

東京大学生産技術研究所 ナノエレクトロニクス連携研究センター 教授

菅原 充富士通株式会社 電子デバイス事業本部デバイス開発統括部 統括部長付

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1. 産学官連携による量子ドットデバイス開発

2. 量子ドット光増幅器の偏波無依存化技術

産学官連携で量子ドットデバイス 基盤技術から事業化まで

連携研究組織: 東大ナノエレクトロニクス連携研究センター

事例: 量子ドットレーザ

量子ドット光増幅器の特長

フォトニックネットワークのキーデバイスとしての光増幅器

実用化に大きな障害であった偏波無依存化技術を確立。

今後 ベンチャー企業 （QDレーザ社） での実用化展開。

発表発表内容内容

カナダモントリオールで開催中の光通信関連の国際会議LEOS（IEEE Lasers and Electro-Optics Society）のポストデッドライン論文に採択

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1. 産学官連携による量子ドットデバイス開発

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産学官連携で量子ドットデバイス基盤技術産学官連携で量子ドットデバイス基盤技術から事業化までから事業化まで

基盤技術開発デバイス開発 事業化

・量子ドットレーザ

・量子ドット光増幅器

富士通富士通研究所

富士通富士通研究所 QDレーザQDレーザ

文部科学省文部科学省 経済産業省・NEDO経済産業省・NEDO

東大ナノエレクトロニクス連携研究センター

東大ナノエレクトロニクス連携研究センター

高度情報基盤プログラム高度情報基盤プログラム「フォトニックネットワークデバイス技術開発プロジェクト」「フォトニックネットワークデバイス技術開発プロジェクト」

世界最先端ＩＴ国家実現重点研究開発プロジェクト世界最先端ＩＴ国家実現重点研究開発プロジェクト「光・電子デバイス技術の開発」「光・電子デバイス技術の開発」

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東大ナノエレクトロニクス連携研究センター東大ナノエレクトロニクス連携研究センター

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ナノ量子情報エレクトロニクス連携研究拠点ナノ量子情報エレクトロニクス連携研究拠点((参考参考))

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産学官連携の事例産学官連携の事例: : 量子ドットレーザ技術量子ドットレーザ技術

Electrode

n-GaAs

p-AlGaAs

n-AlGaAs

p+-GaAs

200 µm

量子ドット活性層

100 nm

断面写真 平面写真

50 nm

光信号

光出

力(m

W)

0

5

10

15

20

従来のレーザ(量子井戸)

0 20 40 60 80

駆動電流 (mA)

0

5

10

15

20

光出

力(m

W)

量子ドットレーザ

20 ~ 70ºC

0 20 40 60 80

駆動電流 (mA)

20 ~ 70ºC

*NEDO 「フォトニックネットワークの開発」, 文部科学省 「光•電子デバイス技術の開発」

量子ドット(ナノサイズ半導体微粒子)を用いて

温度安定動作・低消費電力・高速・長距離を実現可能

10 Gb/s直接変調レーザの温度依存性の大幅低減に成功*

光アクセス系・ビル構内光LAN等への適用を狙う

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((株株) QD ) QD レーザレーザ事業概要

量子ドット技術を利用した光通信用レーザチップ・サブアセンブリの開発・製造・販売

設立趣旨・会社目標

量子ドットデバイスの実用化・商用化を通じて、ユビキタス情報社会の実現に貢献

産学連携の出口となる新しい仕組みを提案・実証し、

日本のエレクトロニクス産業発展に寄与

会社概要

本社 東京都千代田区九段北1-14-17

代表取締役社長 菅原 充 (富士通研究所 兼務)

設立 2006年4月24日

資本金 1.3億円 (2006年10月時点)

従業員数 4名

株主 グローバルイノベーションファンド

MVCグローバルジャパンファンド投資事業組合

荒川 泰彦技術顧問(就任予定)菅原社長

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2.2.量子ドット光増幅器の量子ドット光増幅器の

偏波無依存化技術偏波無依存化技術

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n-InP (100)Substrate

p-InP

n-InP

p-InP

InAs QDs1.1Q

2.4 µmn-InPn-InP

n-InP (100)Substrate

p-InP

n-InP

p-InP

InAs QDs1.1Q

2.4 µmn-InPn-InP

量子ドット光増幅器とは

電流

AR コート

InAs QD入力光信号

出力光信号

time

time

[機能]光信号を増幅する

• 広帯域 > 100nm• 高出力> 20dBm•多チャンネル増幅• 低雑音・高温動作/低電力

[特長]量子ドットが生み出す高性能デバイス特性

「波長1.5ミクロン帯超広帯域・高出力量子ドット光増幅器の開発に成功」2004年3月24日連名プレスリリース（東大、富士通)

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企業ネットワーク

メトロアクセスネットワーク

メトロコアネットワーク25 ~ 300 km

ビル・構内ＧＢイーサ／10Ｇイーサ

プリアンプ

光-Hub #3

光-Hub #2光-Hub #1

10Gb/sレーザ

損失補償器

ブースタアンプ

インラインアンプ

量子ドット量子ドット光光増幅器の増幅器の活用例：活用例：メトロコアメトロコア••アクセスネットワークへの導入アクセスネットワークへの導入

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広帯域広帯域光ファイバの帯域と各種増幅光ファイバの帯域と各種増幅器器の帯域の帯域

12701270 12901290 13101310 13301330 14701470 1490149013501350 13701370 13901390 14101410 14301430 14501450 15701570 15901590 1610 nm1610 nm

15101510 15301530 15501550

O-band E-band S-band C-band L-band

DWDMDWDMCWDMCWDM

FluoridePDFA

FluorideTDFA

SilicaEDFA

SilicaEDFA

0.2 - 1.6 nm0.2 - 1.6 nm20 nm20 nmOC48 / 192OC48 / 192GbE / OC3 / 12 / 48GbE / OC3 / 12 / 48

LOA

SOA

Raman (7 Pump LDs)High-powerBroadbandHigh-powerBroadband

CheapCompactBroadband

CheapCompactBroadband

Quantum-Dot SOA

Telluride EDFA

FluorideEDFA

FluorideEDFA

広帯域（120nm)、高出力（23dBm)理論帯域

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量子ドット光増幅器の特長量子ドット光増幅器の特長(1)(1)広帯域・高出力広帯域・高出力 増幅特性増幅特性

-20-10

01020303040405050

0

5

10

15

20

25

7 dB7 dB

26

24

22

20

181300 1350 1400 1450 1500 1550 1600

Wavelength [nm]

19 dBm19 dBm

20 dB20 dB

2 A

2.5 A2.5 A2 A2 A

1.5 A1.5 A1.2 A1.2 A

0.9 A0.9 A0.7 A0.7 A

0.5 A0.5 A0.4 A0.4 A

120 nm (2 A)120 nm (2 A)

2.5 A

1 A 0.5 A1.7 A

Chip GainChip Gain

Noise FigureNoise Figure

3-dB SaturationOutput Power

3-dB SaturationOutput Power

増幅利得

雑音指数

飽和出力

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量子ドット光増幅器の特長量子ドット光増幅器の特長(2)(2)高出力・高速動作高出力・高速動作

-40 -38 -36 -34 -32 -30 -28Received Power [dBm]

-26

10 Gb/sPRBS 231-1

Quantum Well

Back to BackBit

Erro

r Rat

e

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

10-11

10-12

0.9 A, 17.1 dBm

2.5 A, 23.1 dBm

Quantum Dot

No power penaltyNo power penalty

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量子ドット光増幅器の課題量子ドット光増幅器の課題

【課題】

• 偏平型

• 2軸性圧縮歪

TM

TETM

TE

InPsubstrate

InAs QDs

ドットの構造が非等方的

偏光依存性

TE（横)のみ増幅

TE (横)偏光のみ増幅

TM(縦)偏光は増幅できず【原因】

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新技術新技術: : ドット偏波無依存化技術ドット偏波無依存化技術

K. Kawaguchi et al., to be publish in Phys. State. Sol. (c)

10 nm

従来のドット構造 開発した新構造のドット

新規開発技術・高アスペクト比・歪制御バリア層

新ドット構造の設計・成長法の開発新ドット構造の設計・成長法の開発偏波無依存化を達成偏波無依存化を達成

• 偏平型

• 2軸性圧縮歪

10 nm

H. Ebe et al., Jpn. J. Appl. Phys. 44 (2005) 6312.

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5-

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25 30

偏光特性のドットの高さ依存性偏光特性のドットの高さ依存性((PLPL))

Height (nm)ドット高さを大きくすると TM (縦)偏光特性増大

TM

TE

Light

PL

Height : 22 nm

1200 1300 1400 1500 1600 1700

PL in

tens

ity (1

0 dB

/div

)

-90

-80

-70

-60

1200 1300 1400 1500 1600 1700

K522E

K522M

90-

80-

70-

60-

1200 1300 1400 1500 1600 1700

K685E

K685M

1200 1300 1400 1500 1600 1700

TETM

TETM

Wavelength (nm) Wavelength (nm)

15

10

5

0

-5

Pola

rizat

ion

diffe

renc

eTE

-TM

(dB

)

0 5 10 5 20 25 30

Height : 11 nm

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デバイスの偏光特性デバイスの偏光特性 ((ASEASE))

-100

-90

-80

-70

-60

-50

1300 1400 1500 1600 1700

TE modeTM mode

-90

-80

-70

-60

-50

-40

1300 1400 1500 1600 1700

TE modeTM mode

I = 50, 100, 300 mAI = 50, 100, 300 mA

ASE

inte

nsity

(10

dB/d

iv)

ドット高さ : 11 nm

1300 1400 1500 1600 1700 1300 1400 1500 1600 1700

Wavelength (nm) Wavelength (nm)

ドットを高くすると、TM(縦)偏光に対する利得が向上する。高さ22nmでは、TM(縦)偏光がTE(横)偏光よりも大きくなる。

ドット高さ : 22 nm

ASE

inte

nsity

(10

dB/d

iv)

偏波無依存化技術を確立偏波無依存化技術を確立

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デバイス出力特性デバイス出力特性

0

5

10

15

20

0 5 10 15 20 25

系列1

系列2

Wavelength=1.55 μmCurrent = 300 mALength = 1000 μm

PDG = 6.2 dB 19.5dBm17.3 dB

11.1 dB

TETM

0 5 10 15 20 25Chip out power (dBm)

20

15

10

5

0

Chi

p ga

in (d

B)

TM(縦)偏光に対して充分増幅しかつ高出力であることを確認

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ターゲット市場ターゲット市場

世界市場

183M$@2006 (EDFA, Raman, SOA, EDWA)

アプリケーション

既存 : メトロ ~ 超長距離 $183M2009 ~ : アクセス系(10G PON, CWDM, WDM PON)

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今後の展開今後の展開

東大の協力を仰ぎながら，富士通 と QDレーザ社が 連携して、量子ドットレーザに続くQDレーザ社の

主力製品として、量子ドット光増幅器の実用化を目指す。

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産学官連携による量子ドットデバイス開発

量子ドット光増幅器

量子ドット光増幅器:

実用化に大きな障害であった偏波無依存化技術を確立。

今後 ベンチャー企業 （QDレーザ社） での実用化展開。

発表発表まとめまとめ

国家プロジェクトの支援のもと、東大 /富士通/ QDレーザ

社の連携で量子ドットデバイスの基盤技術開発から事業

展開までを一貫して行う。