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» 2020年10月23日 10時30分 公開

高速大容量通信の実現に向けて:NTTら、帯域100GHz超の直接変調レーザーを開発

NTTは東京工業大学と共同で、炭化ケイ素(SiC)基板上に作製したインジウムリン(InP)系メンブレンレーザーを開発した。直接変調レーザーとして、3dB帯域は100GHzを超え、毎秒256Gビットの信号を2km伝送できることを確認した。

[馬本隆綱,EE Times Japan]

毎秒256Gビットの信号を2km伝送

 NTTは2020年10月、東京工業大学科学技術創成研究院未来産業技術研究所の小山二三夫教授と共同で、炭化ケイ素(SiC)基板上に作製したインジウムリン(InP)系メンブレンレーザーを開発したと発表した。直接変調レーザーとして、3dB帯域は100GHzを超え、毎秒256Gビットの信号を、2km伝送できることを確認した。

 直接変調レーザーの3dB帯域は、これまで30GHz程度であった。レーザー活性層の高性能化が大きく進展しない中で、近年は付加的な高速化手法として「フォトン−フォトン共鳴」が注目されている。この手法を適用すると、3dB帯域は55GHzとなり、毎秒112GビットのPAM4信号を生成することができる。フォトン−フォトン共鳴の周波数を高めていくことで、さらなる高速化も可能となるが、このためには緩和振動周波数をさらに大きくするなどの工夫が必要だという。

左は従来の直接変調レーザーにおける3dB帯域の変遷、右はフォトン−フォトン共鳴を適用した直接変調レーザーにおける3dB帯域の変遷 出典:NTT、東京工大

 NTTはこれまで、熱酸化膜(SiO2)を付けたシリコン(Si)基板上にメンブレンレーザーを作製してきた。緩和振動周波数を大きくするためである。ただ、SiO2は熱伝導率が小さく、注入する電流量が増えると活性層の温度が大きく上昇するため、緩和振動周波数は20GHz程度にとどまっていた。

 そこで今回、SiO2に比べ熱伝導率が約500倍も高いSiC基板を用いてInP系メンブレンレーザーを作製した。SiCは、InPに比べ屈折率が小さく、光(フォトン)閉じ込め係数もSiO2上に作製した素子とほぼ同等だという。

作製した素子の外観図と走査電子顕微鏡像 出典:NTT、東京工大

 素子の作製工程はこうだ。膜厚が40nmと極めて薄いSiO2を、SiC基板とInP層の間に挟み、酸素プラズマを用いて直接接合した。直接接合した後にInP基板を除去する。そして、レーザーのコア領域となる部分の活性層を残し、それ以外は下部のInP層までエッチングによって取り除く。この時、保護膜となるSiO2層をマスクとして活用し、InP層が表面に出ている場所に、選択的にInPを再成長させ、活性層をInP層に埋め込む。その後、ドーピング領域を形成し、電極などを設けた。

素子の作製工程の概要 出典:NTT、東京工大

 100mWの発熱源を仮定し、活性層長50μmのメンブレンレーザー活性層における温度上昇を計算した結果、SiO2の膜厚が2μmから40nmになると、温度は130.9℃から16.8℃へと大幅に低下することが分かった。

活性層長50μmのレーザーで、100mWの熱源を仮定して算出した活性層の温度上昇 出典:NTT、東京工大

 作製した素子は、緩和振動数が最大値となる電流値を30mAまで大きくすることができる。これはSiO2上の素子(5.5mA)に比べ極めて大きく、緩和振動周波数42GHzと3dB帯域60GHzが得られたという。

作製した素子の特性 出典:NTT、東京工大

 さらに今回、出力導波路端面からの光フィードバックを用いて、フォトン−フォトン共鳴が95GHz付近で起こるように素子を設計した。この結果、3dB帯域108GHzを達成するとともに、毎秒256GビットのPAM4信号を生成し、2km伝送に成功した。

フォトン−フォトン共鳴を用いた素子の特性 出典:NTT、東京工大
毎秒256GビットPAM4の生成と2km伝送 出典:NTT、東京工大

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