米乐m6官方网站【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）光子技术研究部【所长：渡边雅信】支持155μm（1微米：百万分之一米）的光通信波长带子带间转换II-VI族半导体使用材料量子阱这是世界上第一个“子带间跃迁超快半导体”，利用这种子带间跃迁实现了世界最快水平的超高速开关操作和低开关能量。光开关''样机制作成功。预计这将加速下一代400Tb/s（太比特每秒）级超高速、大容量光通信的研发。
近年来，包括互联网在内的信息流量迅速增长，构建大容量、高速通信的光子网络已成为紧迫问题。目前，为了实现大容量光通信，正在努力增加信道数量并提高每信道的传输速度。然而，在每通道约160Gb/s(千兆位每秒)或更高的传输速度下，由于电子设备的速度限制，认为难以继续使用当前的使用电路处理信号以进行发送和接收的方法。因此，在160Gb/s或更高的信号处理中，需要直接以超高速处理光信号，而不将其转换为电信号。实现这一目标的关键是开发“超高速光开关”。然而，即使将使用电子和空穴的普通半导体光器件用作光开关，操作速度也将约为1ns（1纳秒：十亿分之一秒）左右，因为电子和空穴重新结合需要时间。因此，难以实现160Gb/s以上的信号处理所需的低于约6ps(1皮秒：万亿分之一秒)的高速操作。作为解决该问题的方法，有人提出，通过仅将电子限制在半导体量子阱中，并利用此时形成的能级（子带）之间的光学跃迁，原则上可以实现1 ps左右的高速运行。然而，即使使用已经用于光通信的传统半导体光器件中的半导体材料，也很难使量子阱的子带间跃迁波长与光通信波长带相匹配，因此有必要开发新的半导体材料。
这一次，AIST分子束外延法开发的高质量晶体生长技术，我们在基于II-VI族半导体材料的半导体量子阱中成功实现了世界上首次对应于光通信波长带的子带间跃迁。进一步光波导我们开发了一种结构制造工艺，并成功生产了使用 II-VI 半导体量子阱的“子带间跃迁超快半导体光开关”的原型模块。成功试制的“子带间跃迁超高速半导体光开关”具有〜200 fs（1飞秒：1/1000万亿分之一秒）的超高速运行，这是世界上最快的水平，同时具有51 dB（分贝）的光输出和10 pJ（皮焦耳）的光输入。消光比的低开关能耗进行操作，因此这一结果可以说是超高速光开关走向实际应用的第一步。
未来，我们计划改进量子阱结构和光波导结构的设计，以进一步降低开关能量（1 pJ以下）。我们还计划将其应用于光通信实验系统并演示开关功能。
这一成果将于2004年11月2日在东京举行的“超快光学技术研讨会”飞秒技术项目最终成果报告会上公布。
随着IT技术的进步，对大容量光通信系统的要求越来越高。预计2015年左右将需要400Tb/s级的超大容量通信流量（《2001财年光技术路线图报告-信息通信领域》（光产业技术振兴会）），并作为支撑技术密集波分复用 (DWDM)系统和 1Tb/s 级光时分复用 (OTDM)预计将实现集成这些系统的光子网络系统。为此，将光信号转换为电信号、处理该信号，然后将其转换回光信号的传统过程无法支持1Tb/s级的信号处理，因此最重要的问题之一是开发一种“超高速光开关”，它可以按原样处理信号，而不需要将光信号转换为电信号。然而，使用电子和空穴的传统半导体光学器件的运行速度约为1 ns，因为两者复合需要时间，因此很难实现满足上述要求的超高速运行。作为解决该问题的手段，有人提出，通过仅将电子限制在半导体量子阱中，并利用此时形成的能级（子带）之间的光学跃迁，原则上可以在1 ps左右的高速运行下实现1 Tb/s级的信号处理。然而，即使使用用于光通信的传统半导体光器件中使用的半导体材料，也很难使量子阱的子带间跃迁波长与光通信波长带对应（将波长缩短至2μm或更小），因此有必要开发新的半导体材料。
AIST在经济产业省的“飞秒技术的研究开发”项目（1995～2016财年）的框架下，一直在进行各种超高速光学器件和评估技术的研究和开发。其中，我们自2000年起一直致力于II-VI族半导体子带间跃迁光开关的研发。
产业技术研究院使用II-VI族半导体材料，在世界上首次成功实现了支持光通信波长带的半导体量子阱中的子带间跃迁。此外，我们还利用该工艺开发了光波导器件制造工艺，并成功生产了“子带间跃迁超快半导体光开关”模块的原型模块，该模块具有世界最高的性能，结合了超高速运行和低开关能量。
(1)我们成功开发了一种半导体量子阱结构，其子带间跃迁波长对应于光通信波长带。
为了在光通信波段实现子带间跃迁，量子阱必须足够深，大约2 eV（电子伏特）。 AIST 正在研究 II-VI 族半导体硫化镉 (CdS) 和碲化铍 (BeTe)。
异质接口导带带偏移独特地大为 31 eV。通过使用分子束外延在砷化镓 (GaAs) 基板上制造由这些半导体组成的量子阱结构，我们成功地观察到了由于子带间跃迁而产生的光吸收，该子带间跃迁大致对应于 155 µm 光通信波长带
[见图 1]当时，他们发现通过在CdS和BeTe界面插入一到两个原子层的硒化锌（ZnSe）中间层形成CdS/ZnSe/BeTe量子阱结构，可以在原子水平上形成平坦的CdS/BeTe界面。为了将子带间跃迁波长缩短至光通信波段的155μm左右，CdS阱层的宽度为3原子层左右，需要原子层水平的膜厚控制。这种界面扁平化技术的发展导致了这一结果。此外，当我们评估使用类似结构的光开关的运行速度时，我们发现它约为200 fs，证实了它具有预期的超高速运行。
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图1 CdS/ZnSe/BeTe量子阱结构的导体能量结构和横截面透射电子显微照片，显示子带间跃迁波长为157 µm
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(2)我们开发了一种使用上述II-VI族半导体量子阱作为开关层的光波导制造工艺，并成功制作了可以输入和输出光纤的“子带间跃迁超快半导体光开关”模块的原型。
如果我们能够创造一种光波导结构，可以将光脉冲限制在几平方微米的空间内，并在由多个II-VI族半导体量子阱堆叠而成的多量子阱开关层中传播数百微米，那么我们可以期望降低开关能量。这是因为，通过将光限制在狭窄的空间内并使其长时间传播，可以在长距离上维持强光强度的状态，从而提高开关效率。此外，从适用于通信系统的模块化的观点来看，制造便于与用于正常信号输入/输出的单模光纤进行光耦合的光波导结构是很重要的。为了将光限制在多量子阱开关层中，需要一种结构，其中多量子阱开关层从两侧被由折射率略小于多量子阱开关层的折射率的材料制成的包层夹在中间。在这项研究中，我们采用在ZnSe中添加镁（Mg）和铍（Be）制成的四元材料ZnMgBeSe作为包层限制光的材料，并成功生长了两侧夹有CdS/ZnSe/BeTe多量子阱层的三层结构。与衬底和薄膜的晶格尺寸匹配的晶格匹配条件对于高质量晶体生长非常重要，并且通过使用ZnMgBeSe作为包覆层材料，可以使GaAs衬底晶格匹配并生长具有与带隙和折射率匹配的组成的晶体。接下来，为了限制限制在多量子阱开关层中的光路，用氯基气体加热该三层结构薄膜，仅留下几微米宽的条纹部分。
干蚀刻开发了一种制造光波导结构的工艺
[见图 2]此外，我们利用该技术成功创建了“子带间转换超快半导体光开关”的原型模块。该模块旨在允许使用光纤进行光信号输入/输出，从而可以在各种通信实验系统中演示交换功能。
[见图3]原型机成功研制的“子带间跃迁超高速半导体光开关”可实现全球最快水平~200 fs的超高速运行，并且可在10 pJ光输入下实现消光比为51 dB的低开关能量，使其可用于下一代光通信系统的各种实验系统。关于开关能量，进一步降低是实用化的课题，但本次开发的量子阱结构和光波导结构仍有改进的空间，预计开关能量可以提高到目前水平的十分之一左右。
此次试制成功的“子带间跃迁超高速半导体光开关”能够实现世界最快水平~200fs的超高速运行，同时在低开关能量下运行，在10pJ的光输入下消光比为51dB，因此可用于下一代光通信系统的各种实验系统。关于开关能量，进一步降低是实用化的课题，但本次开发的量子阱结构和光波导结构仍有改进的空间，预计开关能量可以提高到目前水平的十分之一左右。
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图2制作的高台面光波导结构芯片及亚皮秒控制光输入的开关特性
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图3 光开关操作和原型模块的概念图
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关于子带间跃迁超快半导体光开关的操作速度，已经获得了足够令人满意的性能。未来，我们计划改进量子阱结构和光波导结构的设计，以进一步降低开关能量（1 pJ以下）。我们还计划将其应用于光通信实验系统并演示开关功能。