半導体薄膜構造による極低消費電力モノリシック光集積回路の研究

采用半导体薄膜结构的超低功耗单片光集成电路研究

• 批准号: 15J11776
• 负责人: 井上 大輔
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J11776/
• 关键词: 薄膜レーザ; DFBレーザ; オンチップ光配線; 光配線; 半導体レーザ; 半導体薄膜レーザ; 極低消費電力動作

近年、Si-LSIチップにおける電気配線層は信号遅延や発熱の増大によってチップ全体の性能を律速する要因となっている。そこで既存の銅電気配線の代替となる、新規の配線技術が求められている。本研究では、Ⅲ-Ⅴ族半導体薄膜構造を用いた光配線技術を提案している。薄膜構造がもたらす高い比屈折率差によって極低電力なDFBレーザ光源を高密度に集積した光配線が実現できる。上述の研究目的に沿って以下の研究成果を挙げた。(1) 薄膜レーザの極低消費電力動作薄膜分布反射型レーザの100 fJ/bitを下回る極低消費電力動作の実証を行った。測定系が持つ周波数特性を信号源で補償することで素子特性を正確に評価した。バイアス電流1.06 mAにおいてデータレート20 Gbit/sのアイ開口を得ることに成功した。その結果1bitの送信に必要なビットエラーレートとしては6.4×10-10乗が得られた。その結果1bitの送信に必要な消費電力としては93 fJ/bitが得られた。以上から、薄膜レーザを用いることでSi基板上に100 fJ/bitを下回る消費電力での動作する光源を集積可能であることを示した。(2) 直接成長技術によるSi上集積光源カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)との共同研究でSi基板上に直接成長技術を用いてIII-V族半導体光源を集積する方法検討した。貼り付けを用いて集積する方法と比べ、直接成長技術ではSi基板の全面にIII-V族半導体を形成できることから高集積光集積回路や光源の低コスト化に期待がされている。Si基板に直接成長された量子ドットレーザの直接変調特性の評価を行い3dB帯域としては6.5 GHzが得られた。10 Gbit/sの大信号変調を行い明瞭なアイ開口と10GEthernet maskをクリアする信号品質を有していることを示した。

In recent years, the Si-LSI circuit board has a significant effect on signal delay and heat generation. The replacement of existing copper wiring and the new wiring technology are required. In this paper, we propose a new method for the fabrication of III-V semiconductor thin films using photoalignment techniques. The thin film structure has high refractive index difference, extremely low power, high density and light distribution. The above-mentioned research aims are based on the following research achievements. (1)Thin film distributed reflective film with 100 fJ/bit ultra-low power consumption The measurement system maintains the frequency characteristics of the signal source and compensates for the element characteristics. With a current of 1.06 mA and a data port of 20 Gbit/s, it was successfully achieved. The result is that the 1bit transmission is necessary to obtain the 6.4×10-10. As a result, the necessary power consumption of 1 bit and transmission is 93 fJ/bit. For example, if the power consumption is 100 fJ/bit on the Si substrate, the power consumption may be reduced. (2)A joint study of direct growth technology for integrated light sources on Si substrate (UCSB) and a method for integrating III-V semiconductor light sources on Si substrate The application of high concentration optical circuit and low concentration optical source is expected to be achieved by direct growth technology and high concentration optical circuit. Evaluation of direct modulation characteristics of silicon substrate with direct growth in the 3dB band and up to 6.5 GHz 10 Gbit/s large signal modulation line clear, 10 Gthernet mask clear, signal quality clear.

项目成果

Monolithic Integration of Low Threshold-current Membrane DFB Laser and Low Dark-current PIN Photodiode

低阈值电流薄膜DFB激光器与低暗电流PIN光电二极管的单片集成

• 发表时间: 2015
• 作者: Takashi Nagata;Mitsumasa Koyanagi;Akihisa Terakita;Daisuke Inoue
• 通讯作者: Daisuke Inoue

Bragg Wavelength Detuning Effect on Temperature Dependences of GaInAsP/InP Membrane Lasers

布拉格波长失谐效应对 GaInAsP/InP 膜激光器温度依赖性的影响

• 发表时间: 2017
• 作者: Nakamura;K. and Kikumoto;M.;D. Inoue
• 通讯作者: D. Inoue

Monolithic Integration of Membrane-based Butt-jointed Built-in DFB Lasers and PIN Photodiodes Bonded on Si Substrate

基于薄膜对接内置 DFB 激光器和 PIN 光电二极管的单片集成键合在硅基板上

• DOI: 10.1109/jstqe.2015.2435898
• 发表时间: 2015
• 期刊: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics
• 影响因子: 4.9
• 作者: Daisuke Inoue;Takuo Hiratani;Yuki Atsuji;Takahiro Tomiyasu;Tomohiro Amemiya;Nobuhiko Nishiyama;Shigehisa Arai
• 通讯作者: Shigehisa Arai

Direct Modulation Properties of GaInAsP/InP Membrane DFB Laser on Si

Si 上 GaInAsP/InP 膜 DFB 激光器的直接调制特性

• 发表时间: 2015
• 作者: Takagi Hiroki;Abe Akira;Uemura Aiko;Oikawa Kaori;Utsushi Hiroe;Yaegashi Hiroki;Kikuchi Hideko;Shimizu Motoki;Abe Yoshiko;Kanzaki Hiroyuki;Saitoh Hiromasa;Terauchi Ryohei;Fujisaki Koki;Daisuke Inoue
• 通讯作者: Daisuke Inoue

Integrated Optical Link on Si Substrate Using Membrane Distributed-Feedback Laser and p-i-n Photodiode

使用膜分布反馈激光器和 p-i-n 光电二极管在 Si 衬底上集成光链路

• DOI: 10.1109/jstqe.2017.2716184
• 发表时间: 2017
• 期刊: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics
• 影响因子: 4.9
• 作者: Daisuke Inoue;Takuo Hiratani;Kai Fukuda;Takahiro Tomiyasu;Zhichen Gu;Tomohiro Amemiya;Nobuhiko Nishiyama;Shigehisa Arai
• 通讯作者: Shigehisa Arai