NAIST、駆動電流0.85mAで動作可能な全光型メモリを開発

　

　奈良先端科学技術大学院大学(NAIST) 超高速フォトニクス研究室の河口仁司教授と片山健夫助教らの研究グループは、光信号を電気信号に変換しないで、すべて光信号で情報処理を行う「全光型」の実現の鍵を握る、光信号をそのまま記憶する半導体レーザー(スイッチング・メモリ素子)の動作電流を従来の1/4になる1mA以下に抑えることに成功したことを明らかにした。2011年9月13日より開催されている「2011年電子情報通信学会ソサイエティ大会」で発表された。

　インターネットのトラフィック量は、ユーザー数の増加と回線の高速化により年々増加しており、通信経路の切り替えを担うルータ(交換機)の高速化も求められるようになってきている。現在のルータでは光ファイバを通して伝送されてきた光信号を一度電気信号に換え、電子的に処理した後、再び光信号に換え、光ファイバに送り出しているが、ここままこの技術を延長したとしても信号処理速度が近い将来限界に達すると言われている。また、通信のために消費される電力も、通信量に比例して増加しており、2030年頃には現在の日本の総発電量に相当する電力が通信のためのみに必要となると言われている。

　そのため、次世代の光通信システムに必要な毎秒ペタビット(Pbps)クラスの処理速度を持つ光ルータでは、電気的な処理を行わない全光型の信号処理が必須と言われており、その実現のためのデバイス・システム開発が各所で進められている。しかし、光信号を処理する全光型デバイスは駆動電流が、数mAから数十mA程度と従来の電子デバイスと比較して大きいという問題があった。

　研究グループは、同システムのキーデバイスとなる光メモリの実現を目指し、面発光半導体レーザー(VCSEL:Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)から出力される光の偏光(光の振動の向き)を切り替えることで実現する偏光双安定スイッチングと呼ばれる独自手法の研究を進めてきた。

　VCSELの全光型偏光双安定動作

　同技術は1つの半導体レーザーで、受信、メモリ、送信の3つの機能を有しており、高速・低エネルギーで動作し、集積化が可能という特徴を有している。2007年には1ビットの光メモリ動作を発表しており、2009年にはその光メモリを直列と並列に接続することで拡張可能な方式を提案し、4ビットメモリを実現したことを発表していた。

　今回の研究では、VCSELの低消費電力化に有効な手段として電気の通り道を狭めて、効率を上げるために酸化電流狭窄構造を、この全光型スイッチング・メモリ素子へ導入し、低駆動電流化と偏光双安定性の実現を両立させることに成功した。

　VCSELは種類の異なる半導体薄膜を積層し、活性層(電子を光に変換し、増幅する領域)や発生した光を共振させる反射鏡により形成されている。活性層の近くに、酸化狭窄層という酸化されやすい半導体の層を配置し、高温で水蒸気をあてることで周辺部より酸化が進む。酸化された領域は電気抵抗が高くなり、酸化されていない中心部に電流が集中して流れるようになり、少ない電流でも効率的にレーザー発振が起こるようになったという。

　酸化狭窄偏光双安定VCSELと赤外線カメラによる酸化電流狭窄構造の透過像(3μm角の黒い部分を除き50μm角の白い部分が酸化により抵抗が高くなっている。電流は3μm角の中心部分にのみ流、電子を光に変換する活性層の一部に集中し、少ない電流でも効率的にレーザー発振するようになる)

　この構造を0.98μm帯の波長の光を出力するVCSELへ導入したところ、0.85mAの駆動電流(消費電力1.7mW)で、光パルス入力により発振偏光を切り替える全光フリップ・フロップ動作を実現。この結果は、これまで世界最少であったベルギーのゲント大学によるリングレーザーを用いた全光型フリップ・フロップの駆動電流の3.5mA(消費電力5.3mW)を下回るものとなった。

　VCSELの全光型フリップ・フロップ動作(0°偏光の光パルスを入力すると発振偏光が0°となり、次に90°偏光の光パルスを入力すると0°発振が止まり90°偏光の発振となっている。光パルスの入力が無い間は、偏光の状態が保持されている)

　今回、実現されたシフトレジスタ機能を有する全光型バッファメモリは、VCSELとマイクロレンズやマイクロミラーなどの光学素子を組み合わせた3次元集積化が可能であり、単一の全光型機能素子が、低消費電流で実現できるようになることから、研究グループでは、将来的には高速光ルータが実現できる可能性が高まったとしている。