High-speed semiconductor lasers toward beyond-terabit/s optical transmitters

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04605
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 硴塚 孝明 早稲田大学, 理工学術院(情報生産システム研究科・センター), 准教授 (20522345)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 半導体レーザ / 直接変調 / 光ファイバ伝送

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、超テラビット級光送信器の構成要素として期待される、超100 GBaud級変調かつ光ファイバ伝送の長延化をもたらす振幅変調光送信器の提案をめざし、（１）伝送距離を長延化する変調条件の追求、（２）前記変調条件を実現するレーザ共振器構造、（３）高速変調を可能とするレーザ構造、を課題として研究を進めている。今年度は、課題（１）においては、強度変調信号において振幅変調と周波数変調を組み合わせ、抑圧搬送波単側波帯条件を導入して効果を確認した。50 GBaud級、100 GBaud級の直接変調の場合、光ファイバの低波長分散領域であるO帯においても伝送距離の制限が顕著となる。100 Gbit/sのNRZ(Non-return-to-zero)信号の光ファイバ伝送において前述の条件を採用することにより、伝送距離を長延化できることを確認した。課題（２）（３）においては、直接変調レーザにより生ずる周波数変調成分をDetuned loading効果を用いて制御することにより、抑圧搬送波単側波帯条件に必要な周波数変調量が得られることを明らかにした。数値シミュレーションモデルを構築してDFB(分布帰還)とDBR(分布ブラッグ反射鏡)領域を含む複合共振器レーザを設計し、直接変調時の共振器損変調を導入することにより所望の周波数変調量制御が得られることを示した。Detuned loading効果により、周波数変調量の制御に加えて緩和振動周波数の増大効果を合わせて得られるため、変調動作の高速化に対しても効果が得られる。光ファイバ伝送解析とレーザ解析のシミュレーションの融合を進め、レーザ素子設計と光伝送を包括的に検討できる設計環境を構築した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は、光ファイバ伝送解析モデルおよびレーザ解析モデルを検討して数値解析に実装し、素子設計と光伝送を包括的にシミュレーションする環境を構築したこと、および、本提案の効果を確認して課題抽出に至ったことから、概ね計画通りの進捗が得られたと考えている。変調条件制御による高分散耐性化においては、抑圧搬送波単側波帯条件の導入により100 Gbit/s NRZ信号に対する伝送特性の改善効果が得られた。PAM4信号への適用に向けては、伝送後のアイ開口の保持に効果が得られた一方で、周波数変調成分によるパルスの前傾および後傾の発生が課題である。レーザ設計においては、DFBとDBR共振器を有する複合共振器直接変調レーザを構成し、転送行列モデルに基づいた数値シミュレーションによって、実効緩和振動周波数の増大による高速化と、抑圧搬送波単側波帯条件に必要な周波数変調量が得られることを示した。レーザの発振モードを共振器損の波長依存性が生じる位置に配置し、直接変調時の周波数変動により共振器損変調を実装してDetuned loading効果を発生し、周波数変調量制御を実現した。また、直接変調における抑圧搬送波単側波帯条件の実装に向けては、振幅変調成分と周波数変調成分の応答整合のために、周波数変調成分の過渡応答制御が必要であることを明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

2020年度の進捗を踏まえ、次年度は光ファイバ伝送解析とレーザ解析を連携して特性改善を進める。また、シミュレーションモデルを高度化し、実デバイスに対する再現性を高めていく。光ファイバ伝送の高分散耐性化においては、ビット誤り率を評価し、本提案の適用領域を明確化する。PAM4におけるパルス形状の変形の課題に対しては、周波数変調成分の制御による特性の改善を検討する。レーザ設計においては、直接変調における抑圧搬送波単側波帯条件を実現するために、振幅変調の周波数応答と合わせ、周波数変調における周波数応答制御を検討する。今年度の進捗により、周波数変調成分の過渡応答成分の抑制が有効と考えられることから、共振器構造による高周波成分の抑制を試みる。変調速度の高速化に向けては、光－光共鳴効果による高速化に取り組み、周波数変調量の制御特性を評価して最適な構造を探る。多波長レーザアレイの提案にあたっては、線幅増大係数の波長依存性がO帯における伝送特性に影響することから、活性層構造による制御に着手する。本提案においては、Detuned loading効果を得るために共振器の共振波長を微調することが必須となるため、冗長性の高い構造設計も実用に足る構成提案に向けた今後の課題である。