2016 Fiscal Year Annual Research Report
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15H02248
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小山 二三夫 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (30178397)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂口 孝浩 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (70215622)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 面発光レーザ / 光インターコネクト / データセンター / 高速変調 / 半導体レーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，光インターコネクトの主要光源である面発光レーザに，垂直方向のレーザ共振器に加えて，微小光共振器を横方向に集積してその光のフィードバック効果により，その変調帯域を大幅に拡大する新しい高速変調技術の確立を目指している．また，同一手法により，面発光レーザに光の群速度を制御した小型の吸収型光変調器をモノリシックに集積し，小型化による高速化と低電圧化による低消費電力化を目指している．両手法による理論的な変調速度限界を究明するとともに，デバイスの試作を通しての実証研究により100Gbps級の超高速半導体レーザ工学の確立を目的としている．
平成28年度は，高速化を可能とする結合共振器面発光レーザを製作し，変調特性を評価した．新たに2重結合共振器構造を提案し，3dB変調帯域として，90GHz，大信号変調として100Gbpsの超高速変調が可能であることをレート方程式解析により明らかにした．平成27年度で得られた設計指針を踏まえ結合共振器面発光レーザを製作し，変調特性を明らかにし，光検出器の制限帯域である30GHzの変調帯域と，大信号でNRZフォーマットで48Gbps変調を実現した．また，4値の多値変調により20Gbps×2=40Gbpsを実現した．さらに，結合共振器により，直接変調時のチャーピングが，通常の構造に比べて，1/2から1/3に低減できることを理論・実験により示した．一方，変調器集積光源の最大の課題であった面発光レーザから光変調器への結合効率に関して，モードセレクタ構造を提案し，50%以上の結合効率と変調器出力として0.9mWを実現した．さらに，半導体中の不純物濃度分布・素子長の最適化，量子井戸層数の最適化により，変調器の変調電圧振幅の低電圧化を進め，低消費電力化の指針を確立した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度は，平成27年度の解析結果と製作基盤を踏まえ，高速化を可能とする結合共振器面発光レーザを製作し，変調特性を評価した．これまで得られた高速化の指針は，弱結合の限定した条件の中では，結合共振器間の結合を強める事と共振器の微小化（遅延時間の短縮）である．新たに2重結合共振器構造を提案し，3dB変調帯域として，90GHz，大信号変調として100Gbpsの超変調が可能であることをレート方程式解析により明らかにした．平成27年度で得られた設計指針を踏まえ結合共振器面発光レーザを製作し，変調特性を明らかにして，光検出器の制限帯域である30GHzの変調帯域と，大信号で48Gbps変調を実現した．また，4値の多値変調により20Gbps×2=40Gbpsを実現した．さらに，結合共振器により，直接変調時の波長チャーピングが，通常の構造に比べて，1/2から1/3に低減できることを理論・実験により示した．一方，変調器集積光源の最大の課題であった面発光レーザからの変調器への結合効率に関して，モードセレクタ構造を提案し，50%以上の結合効率と変調器出力として0.9mWを実現した．また，半導体中の不純物濃度分布・素子長の最適化，量子井戸層数の最適化により，変調器の変調電圧振幅の低電圧化を進め，低消費電力化の指針を確立した．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度までの研究結果を踏まえた高速化の限界究明と，更なる高速化の方向として，結合共振器面発光レーザの多値変調の検討，変調器集積光源では，微小化による高速化の限界究明を進めるとともに，低電圧化による低消費電力化を進める．また，両デバイス技術による低消費電力化の限界について，実験的・理論的な考察を行い，100Gbpsの高速変調（既存技術の4倍）と100fJ/bit（既存技術の約1/5）の低消費電力化を進める．また変調器集積光源における光帰還効果による帯域拡大など，両技術の一体化による高速化を検討する．
本研究の実施体制としては，研究代表者が研究全体を統括し，１名の研究分担者が面発光レーザの基盤技術である共振器形成と微細加工全般を担当し，結合共振器による高速面発光レーザ，超小型低電圧光変調器集積光源の各サブ研究課題については，博士研究員，大学院学生を中心とした研究協力者が担当する．相互のサブ研究課題については独立なものではなく，基盤技術，設計，評価について相互に強く連携しながら推進する．
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