独立行政机构米乐m6官方网站（AIST）光子研究所（PRI）在世界上首次利用II-VI族半导体材料以量子阱的形式实现了155μm（1μm=1/1,000,000m）光通信波长带的子带间跃迁，并成功制造了满足子带间跃迁超高速半导体光开关的要求1Tb/s 超快运行（1Tb = 1terabit = 10¹²bit)，世界上最快，并且开关能量低。这一成果将有助于加速新一代超高速、大容量光通信（速度高达400Tb/s）的研发工作。

近年来，通过互联网等网络的信息流量快速增长，迫切需要建设大容量、高速通信通道的光子网络。为了实现大容量光通信，正在沿着两条线努力：增加通道数量并使每个通道的传输速率更快。然而，传输速率高于约 160Gb/s（1Gb = 1gigabit = 10⁹bit) 每个通道，由于电子设备的速度限制，基于电子电路的当前通信方案中的信号处理被认为会失败。因此，需要直接使用光信号而不转换成电信号来执行160Gb/s或更快的信号处理。对于这一方案，超高速光开关的发展将起到至关重要的作用。如果使用作用于电子和空穴的普通半导体光学器件作为光学器件，其运行速度为1ns（1ns=1纳秒=1/10⁹秒），因为电子与空穴的复合需要时间。因此，很难使操作速度超过约 6ps（1ps = 1皮秒 = 1/10¹²秒）根据 160Gb/s 或更高信号处理的要求。为了解决这个困难，有人提出将电子限制在量子阱中，并利用量子阱中形成的能级(子带)之间的光学跃迁来实现1 ps左右的快速操作。然而，对于用于光器件的半导体材料来说，很难使量子阱子带之间的跃迁波长与光通信波长带相对应，需要开发新的半导体材料。

PRI-AIST在世界上首次成功地利用分子束外延高质量晶体生长技术制备的II-VI族半导体材料，利用半导体量子阱实现了对应于光通信波长带的子带间跃迁。此外，还开发了光导构建工艺，并成功制作了基于II-VI族半导体量子阱的子带间跃迁超快半导体光开关模块。新型光开关实现了约200fs的超高速运行（1fs=1飞秒=1/10¹⁵秒），同时，对于 10pJ（1pJ = 1picojoule）的光输入，具有 51dB（分贝）消光比的极低开关能量。这一成果有望向超快光开关的实际应用迈出一大步。

未来的工作重点是升级量子阱结构和波导结构的设计，并通过光通信系统进行实验来验证切换功能。

结果将于2004年11月2日在东京举行的超快光子学研讨会飞秒技术项目最终报告会上公布。

随着信息技术(IT)的进步，人们越来越需要开发大容量光通信系统。预计2015年左右将需要400Tb/s的超大容量通信流量。[2001财年光技术路线图报告——光电子产业技术振兴协会(OITDA)信息通信部——日文]。由于传统的将光信号转换为电子信号，经过必要处理后返回光信号的方案需要有限的时间，不足以满足1Tb/s的处理，因此优先需求开发超高速光开关，直接处理光信号，而不需要转换为电子信号。然而，在同时利用电子和空穴的半导体光学器件中，两者的复合需要时间，使得操作速率慢至1ns，并且很难实现超快操作来满足这一要求。作为解决该问题的手段，已经提出将电子限制在半导体量子阱中，并利用在这种情况下形成的能级(子带)之间的光学跃迁。原则上，这将通过 1ps 左右的快速运算实现 1Tb/s 信号处理。然而，由于半导体材料已用于光通信的传统半导体光器件，因此很难使子带间跃迁波长与光通信波长带（2μm或更短）兼容，需要开发创新的半导体材料。

PRI-AIST 在经济产业省 (METI) 资助的“飞秒技术研发 (FY1995-04)”项目下致力于各种超快光学器件及其表征技术的研发。在该项目框架内，PRI-AIST一直致力于II-VI族半导体子带间转换光开关的研发。

PRI-AIST已成功利用II-VI族半导体材料实现了符合光通信波段的半导体量子阱子带间跃迁，处于世界领先水平。此外，还开发了基于量子阱的波导器件制备工艺，并成功制造出具有世界最佳性能的子带间跃迁超快半导体光开关模块，同时满足超快运行和最小开关能量两个要求。

(1)符合光通信波段的子带间跃迁波长的半导体量子阱结构的开发

为了实现光通信波段的子带间跃迁，量子阱要足够深，大约2eV（电子伏特）或更深。 PRI-AIST 注意到硫化镉 (CdS) 和碲化铍 (BeTe) 两种 II-VI 半导体之间异质界面处的导带偏移异常大。当通过分子束外延生长工艺在砷化镓（GaAs）基板上沉积由这些半导体制成的量子阱结构时，观察到由于对应于155μm光通信波长带的子带间跃迁而产生的光吸收（图1）。此外，还发现当在CdS-BeTe界面插入1~2原子厚的硒化锌中间层构成CdS/ZnSe/BeTe量子阱结构时，可以形成原子级平坦的CdS/BeTe界面。为了将光通信波段的子带间跃迁波长缩短至155μm左右，需要将CdS量子阱的宽度设定为3原子层左右，需要在原子水平上控制膜厚。界面扁平化技术的发展促成了目前的成功。基于类似结构的光开关的运行速度约为200 fs，证明了预期的超快运行。

图。 1 CdS/ZnSe/BeTe量子阱157μm子带间跃迁波长的导带能量结构及其截面透射电子显微图

(2)基于II-VI族半导体量子阱开关的波导制备工艺开发及可实现光纤I/O的子带间跃迁超快半导体光开关模块的制造

如果能够创建一种光导结构，将光脉冲限制在由叠层II-VI族半导体量子阱制成的多层量子阱开关中几平方微米的空间内，并使脉冲传播超过数百微米，那么开关能量可能会降至最低。将光脉冲限制在有限的空间内，可以在长距离内保持强光，从而提高开关效率。考虑到创建适用于通信系统的模块，制备确保与单模光纤易于光耦合以用于正常信号I/O的波导结构具有重要意义。为了将光限制在多量子阱内，需要构造一个夹有折射率略小于量子阱开关层折射率的包层的多量子阱开关层。在本研究中，采用四元合金材料ZnMgBeSe作为包层来限制光，在ZnSe中添加镁（Mg）和铍（Be），夹入CdS/ZnSe/BeTe多量子阱层。通过外延生长成功制备了这种三层结构。为了获得高质量的外延生长，晶格排列，即使衬底和薄膜中的晶格尺寸相等是非常重要的。由于采用ZnMgBeSe作为包覆层，可以实现具有设计带隙和折射率的量子阱晶体的外延生长，同时保持与GaAs衬底的晶格排列。随后，开发了一种制备波导结构的工艺，通过氯基气体干法刻蚀三层结构，同时留下几微米宽的条纹，用于定义限制在多量子阱开关层中的光路（图2）。基于该工艺，试制出了子带间跃迁超快半导体光开关。该模块的设计可以通过光纤进行光信号的I/O，从而可以通过各种实验通信系统演示交换功能（图3）。新制造的子带间跃迁超快半导体光开关实现了约200 fs的创纪录超快运行，同时实现了10 pJ光输入和51 dB消光比的低开关能量运行，使其可用于针对新一代光通信系统的各种实验系统。对于实际应用，有必要进一步降低开关能量。虽然量子阱结构和光导结构还有改进的空间，但预计开关能量将降低到目前水平的 1/10。

图。 2亚皮秒控制光输入的光导结构芯片及其开关特性

图。 3光开关操作和制造模块概念图