고급 산업 과학 기술 연구소 (Yoshikawa Hiroyuki 회장) (이하 "AIST"라고 불리는) 광학 기술 연구 부서 [Watanabe Masanobu 회장]은 155 µm (1 마이크로 미터 : 1/1 백만)의 광 통신 파장 밴드를 지원합니다Intrasubband TransitionII-VI 반도체사용 된 재료Quantum well및 "지원 대역 전환 초고속 반도체광학 실시간 바카라치|" 성공적으로 완료되었습니다 이는 400TB/s (Terabit/S) 클래스의 차세대 초고속, 고용량 광학 통신의 연구 및 개발을 가속화 할 것으로 예상됩니다
최근 몇 년 동안 인터넷을 포함한 정보 트래픽이 급격히 증가하고 있으며, 대용량 및 고속 통신을 허용하는 광자 네트워크의 건설이 긴급한 문제가되었습니다 현재 대용량 광학 통신을 실현하고 채널 당 전송 속도를 높이기위한 채널 수를 늘리기위한 노력이 이루어지고 있습니다 그러나, 채널 당 약 160GB/s (기가 비트/S)의 전송 속도에서 전자 장치의 속도 제한으로 인해 전기 회로를 사용하여 신호 처리 및 수신의 현재 방법을 계속하기가 어렵다고 생각됩니다 따라서, 160GB/s 이상의 신호 처리에서, 신호 처리는 광학 신호를 전기 신호로 변환하지 않고 초고속 속도로 수행되어야한다 이를 달성하기위한 열쇠는 "초고속 광학 실시간 바카라치"의 개발입니다 그러나 전자와 구멍을 사용하는 정상적인 반도체 광학 장치가 광 실시간 바카라치로 작동 되더라도 전자와 구멍을 재조합하는 데 시간이 걸리며 작동 속도는 약 1ns (1 나노초 : 10 억 분의 2 초)입니다 따라서, 160GB/s 이상의 신호 처리에 필요한 약 6ps (1 피코 초 : 1 조 초) 미만의 고속 작동을 달성하기가 어려웠습니다 원칙적으로, 반도체 양자에 전자 만 제한하고 당시에 형성된 에너지 수준 (서브 밴드) 사이의 광학 전이를 사용하여 약 1ps의 고속 작동을 달성 할 수 있다고 제안되었다 그러나, 광학 통신을 위해 기존의 반도체 장치에 사용되는 반도체 재료가 사용 되더라도, 양자 웰의 서브 밴드 전이 파장을 광 통신 파장 대역에 해당하기가 어렵고, 새로운 반도체 재료를 개발해야했다
이번에는 AIST분자 빔 에피 택시 방법를 사용하여 고품질의 결정 성장 기술을 사용하여, 광학 통신 파장 대역에 해당하는 그룹 II-VI 반도체 재료를 기반으로 한 세계 최초의 반도체 양자가 우수했습니다 게다가광 도파관구조 제조 공정은 II-VI 반도체 양자 우물을 사용하여 "Intersubband Transition 초고속 반도체 광 실시간 바카라치"를위한 프로토 타입 모듈을 개발하고 성공적으로 생성했습니다 성공적으로 생산 된 "서브 밴드 전이 초고속 반도체 광 실시간 바카라치"는 세계에서 가장 빠른 작동 수준 ~ 200fs (1 펨토초 : 1000 조 초) 및 10pj (피코 주일) 광학 입력 51 db (decibels)멸종 비율의 낮은 실시간 바카라칭 에너지 소비로 작동 할 수 있으므로이 결과는 초고속 광학 실시간 바카라치의 실제 적용을위한 첫 번째 단계라고 할 수 있습니다
앞으로, 우리는 실시간 바카라칭 에너지 (1pj 미만)를 추가로 줄이기 위해 양자 우물 구조 및 광 도파관 구조의 설계를 개선 할 계획입니다 또한 광학 통신 실험 시스템에 적용될 계획이며 실시간 바카라치 기능을 시연 할 계획입니다
이 결과는 2004 년 11 월 2 일에 도쿄에서 개최 될 Ultra High Speed Optical Technology Symposium의 Femtosecond Technology Project의 최종 결과 보고서에서 발표 될 것입니다
기술 발전함에 따라 대용량 광학 통신 시스템이 점점 더 요구되고 있습니다 2015 년경에는 400TB/S 클래스의 초대형 통신 트래픽이 필요하다고 생각됩니다 (2001 Optical Technology Roadmap Report- 정보 및 통신 분야 -"광학 산업 기술 촉진 협회 (일본 홍보 협회) 가이를 지원하는 기술로 필요합니다고밀도 파장 디비전 멀티플렉싱 (DWDM)시스템 및 1TB/S 클래스광학 시간 디비전 멀티플렉싱 (OTDM)시스템을 결합한 광자 네트워크 시스템이 실현 될 것으로 예상됩니다 이를 달성하기 위해 광학 신호를 전기 신호로 변환하는 종래의 프로세스가 신호 처리를 수행 한 다음 광학 신호로 다시 반환하는 경우 1TB/S 클래스의 신호 처리를 처리 할 수는 없으므로 광학 신호를 가장 중요한 문제로 전환하지 않고 광학 신호로서 신호 처리 작업을 수행하는 것은 "초고속 광학 실시간 바카라치"를 처리하는 것이 가장 중요한 문제입니다 그러나 전자와 구멍을 사용하는 통상적으로 사용되는 반도체 광학 장치에서는 둘이 재결합하는 데 시간이 걸리므로 작동 속도는 약 1Ns이므로 위의 요구 사항을 충족하는 초고속 작동을 달성하기가 어렵습니다 이 문제를 해결하는 방법으로서, 반도체 양자에 전자 만 제한하고 원칙적으로 1TB/S 클래스의 신호 처리는 약 1PS의 고속 작동을 통해 달성 될 수 있다고 제안되었다 그러나, 광학 통신을 위해 기존의 반도체 장치에 사용되는 반도체 재료가 사용 되더라도, 양자 웰의 서브 밴드 전이 파장이 광 통신 파장 대역 (2 µm 미만의 짧은 파장)에 해당하는 것은 어렵고 새로운 반도체 재료의 개발이 필요하다
AIST는 경제 무역 및 산업 프로젝트 "펨토초 기술의 연구 및 개발"(1995-2014)에서 다양한 초고속 광학 장치 및 평가 기술을 연구하고 개발해 왔습니다 이 중 2000 년 이래로 우리는 그룹 II-VI 반도체 교차 대역 전이 광 실시간 바카라치의 연구 및 개발에 관한 노력을 기울이고 있습니다
AIST는 광학 통신 파장 대역에 해당하는 반도체 양자 웰에서 intersubband 전이를 달성하기위한 세계 최초의 그룹 II-VI 반도체 재료입니다 또한이를 활용하는 광 도파관 장치 제조 공정을 개발하고 세계에서 가장 높은 성능을 보이는 "Intersubband Transition Ultra-High Speed Semiconductor Optical Switch"모듈의 프로토 타입을 성공적으로 생산하여 초고속 속도 작동과 낮은 실시간 바카라칭 에너지를 모두 달성했습니다
(1) 광학 통신 파장 대역에 해당하는 intersubband 전환 파장을 갖는 반도체 양자 우물 구조를 성공적으로 개발했습니다
광학 통신 파장 대역에서 intersubband 전이를 실현하려면 양자 우물이 대략 2EV (전자 볼트)에서 충분히 깊어 야합니다 AIST는 II-VI 반도체에는 황화 카드뮴 (CDS)과 베릴륨 텔루 라이드 (BETE)
Heterointerface전도성 밴드 오프셋31ev에서 구체적으로 큽니다 분자 빔 에피 택시에 의해, 이들 반도체로 구성된 양자 우물 구조는 갈륨 아르 세 나이드 (GAAS) 기판 상에 제조되었고, 그 결과, 우리는 155 µm 광학적 통신 파장 대역과 거의 일치하는 대역 전이로 인해 광학 흡수를 관찰 할 수 있었다
[그림 1]이때, 우리는 CDS와 BETE 사이의 계면에 1-2- 원자 아연 셀레 나이드 (ZNSE) 중간 층을 삽입함으로써 CDS/ZNSE/BETE Quantum Well 구조 인 플랫 CDS/BETE 인터페이스가 원자 수준에서 형성 될 수 있음을 발견했습니다 광 통신 파장 밴드에서-서브 밴드 전이 파장을 약 155 μm로 단축하려면, CDS 웰층 폭은 약 3 개의 원자 층이며, 원자 층 수준에서 필름 두께 제어가 필요하다 이 인터페이스 평면화 기술의 개발로 인해 이러한 성과가 이어졌습니다 또한, 광 실시간 바카라치의 작동 속도가 유사한 구조로 평가되었을 때, ~ 200fs 인 것으로 밝혀졌으며, 예상대로 초고속 작동을 보였다는 것이 확인되었다
|
|
|
그림 1 도체 에너지 구조 및 단면 변속기 전자 CDS/ZNSE/BETE 양자 우물 구조 157 µm의 intersubband 전이 파장을 보여주는 구조
|
(2) 위에서 언급 한 II-VI 반도체 양자를 사용하여 실시간 바카라치 층을 사용한 광 도파관 제조 공정은 실시간 바카라치 레이어를 개발했으며, "Intersubband Transition 초고속 반도체 광학 실시간 바카라치"의 프로토 타입은 광섬유 입력이 가능하고 출력이 성공할 수 있습니다
광학 펄스가 여러 정사각형 µm의 공간에 한정되고 다중 양자 웰 실시간 바카라치 층에서 수백 µm 이상 전파되는 광학 도파관 구조를 제조 할 수있는 경우, 상기 언급 된 그룹 II-VI 반도체 양방향 웰스를 쌓아서 실시간 바카라칭 에너지가 줄어들 것으로 예상 할 수 있습니다 빛이 좁은 공간에 국한되어 오랫동안 전파되면 장거리에 걸쳐 강한 빛의 상태를 유지하여 실시간 바카라칭 효율을 향상시킬 수 있기 때문입니다 또한, 통신 시스템에 적용될 수있는 모듈화의 관점에서, 정상 신호의 입력/출력에 사용되는 단일 모드 광 섬유와 광학 커플 링을 용이하게하는 광학 도파관 구조를 제조하는 것이 중요하다 다중 양자 우물 실시간 바카라치 층에 빛을 제한하기 위해, 다중 양자 우물 실시간 바카라치 층이 양쪽에서 샌드위치되는 구조는 다중 양자 웰 실시간 바카라치 층의 굴절률보다 약간 작은 굴절률을 갖는 재료로 만들어진 클래딩 층에 의해 요구된다 이 연구에서, 우리는 4 차 물질 Znmgbese를 사용했는데, 여기서 마그네슘 (mg)과 베릴륨 (BE) (BE)은 제한된 빛을위한 클래딩 층의 재료로 ZnSE에 첨가되었고, CDS/ZNSE/BETE 다중 양자 우물 층이 양쪽에서 샌드위치 된 3 층 구조의 결정 성장에 성공했습니다 고품질 결정 성장을 달성하기 위해, 기판과 필름 사이의 결정 격자의 치수와 일치하는 격자 매칭 조건은 중요한 점이지만, ZnMGBese를 클래딩 층의 재료로 사용함으로써 밴드 갭 및 내화 지수를위한 조성물을 성장시키는 동안 조성물을 성장시키는 것이 가능해졌다 다음으로, 다중 양자 우물 실시간 바카라치 층에 갇힌 빛의 경로를 제한하기 위해,이 3 층 필름에는 몇 µm 너비의 스트라이프와 같은 부분 만 남겨두고 염소 기반 가스입니다
드라이 에칭광 도파관 구조를 제작하기위한 프로세스 개발
[그림 2]또한, 우리는 이것을 사용하는 "서브 밴드 사이의 초고속 반도체 광학 실시간 바카라치"에 대한 프로토 타입 모듈을 성공적으로 만들었습니다 이 모듈은 광 섬유를 사용하여 광 신호를 입력 및 출력 할 수 있도록 설계되어 다양한 통신 실험 시스템에서 실시간 바카라칭 기능을 시연 할 수 있습니다
[그림 3 참조]이번에 성공적으로 프로토 타입으로 성공적으로 프로토 타입을 보낸 "서브 밴드 전이 초고속 반도체 광 실시간 바카라치"는 세계에서 가장 빠른 수준의 초고속 속도, 전 세계에서 가장 빠른 수준으로 작동 할 수 있으며 동시에 10PJ의 광학적 입력으로 51dB의 낮은 실시간 바카라치 에너지에서 작동 할 수 있으며, 다양한 실험 시스템에서 51dB의 낮은 실시간 바카라치 에너지에서 작동 할 수 있습니다 전환 에너지와 관련하여, 추가 감소는 실제적인 사용에있어 어려운 과제이지만, 현재 양자 우물 구조와 광 도파관 구조의 개선의 여지가 여전히 있으며, 현재의 개선은 전류의 약 10 분의 1까지 이루어질 수있을 것으로 예상된다
이번에 성공적으로 생산 된 "서브 밴드 전이 전이 초고속 반도체 광 실시간 바카라치"는 세계에서 가장 빠른 수준의 초고속 속도, 전 세계에서 가장 빠른 수준으로 작동 할 수 있으며 동시에 10pj 광학 입력을 갖춘 51db의 낮은 실시간 바카라치 에너지에서 작동 할 수 있으며, 차세대 실험 시스템에서 다양한 실험 시스템에서 사용할 수 있습니다 전환 에너지와 관련하여, 추가 감소는 실제적인 사용에있어 어려운 과제이지만, 현재 양자 우물 구조와 광 도파관 구조의 개선의 여지가 여전히 있으며, 현재의 개선은 전류의 약 10 분의 1까지 이루어질 수있을 것으로 예상된다
|
|
그림 2 : 서브 피코 초 제어 광학 입력에 대한 제조 된 높은 MESA 광 광고 가이드 구조 칩 및 실시간 바카라치 특성
|
 |
그림 3 : 광 실시간 바카라치 작동 및 프로토 타입 모듈의 개념적 다이어그램
|
서브 밴드 간 전환 초고속 반도체 광 실시간 바카라치의 작동 속도가 만족스럽게 달성되었습니다 앞으로, 우리는 실시간 바카라칭 에너지 (최대 1pj 이하)를 더욱 줄이기 위해 양자 우물 구조 및 광 도파관 구조의 설계를 개선 할 계획입니다 또한 광학 통신 실험 시스템에 적용될 계획이며 실시간 바카라치 기능을 시연 할 계획입니다