2023 Fiscal Year Annual Research Report
データ伝送エネルギーコスト低減を目指す高効率Si基板上半導体薄膜レーザ実現
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23KJ0935
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高橋 直樹 東京工業大学, 工学院, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2024-03-31
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| Keywords | 半導体レーザ / 薄膜レーザ / 結晶成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
信号伝送用光源に要求されるのは、非常に低い伝送エネルギーコストをもちながら受光に十分な光出力を有することである。本研究では究極の信号伝送用半導体レーザの実現に向け、最適な光分布と電気特性を有する半導体薄膜レーザ共振器構造の検討及び、その効果の実証を行った。
まず半導体薄膜レーザの低消費電力に向けた設計について検討を行った。半導体レーザの特性が光閉じ込めに大きく影響を受けていることを示し、横方向の閉じ込めを強化する方法として、埋め込みリッジ導波路を提案した。埋め込みリッジ導波路は、光閉じ込め係数を増加することができるため、電極をより活性層に近づけることができ、内部損失を増加させず電気抵抗を下げることができる。次に、共振軸方向の閉じ込めとして、空間的ホールバーニング緩和するためにACPM回折格子の導入を提案し、軸方向に対するキャリア密度の不均一性が解消されることを示した。
実際に半導体薄膜レーザを作製し、その特性を明らかにした。提案した埋め込みリッジ構造やACPM回折格子を実際に導入し、従来の研究に比べしきい値電流や微分抵抗の大幅な低減を達成した。また、20Gbpsでのアイダイアグラムを確認し、提案構造がデータ伝送エネルギーコストを低減できることを示した。
また、光インターコネクションを見据えた集積についても議論し、曲げ導波路を作製可能で低損失で伝搬できるInP導波路とレーザを集積する手法について議論した。光ニューラルネットワークへの応用としては、半導体薄膜レーザが、光ReLU関数として利用できることを指摘し、その動作実証を行った。Radio-over-fiberへの応用では、光子-光子共鳴構造を新たに導入することで、変調帯域を拡大し、30GHz帯で64QAMの無線信号を3GPP規格値内のEVM(Error Vector Magnitude)で信号伝送に成功した。
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