超高速・低消費電力面発光レーザフォトニクス

• 研究課題/領域番号: 15H02248
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 小山 二三夫 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (30178397)
• 研究分担者: 坂口 孝浩 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (70215622)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 43,550千円 (直接経費: 33,500千円、間接経費: 10,050千円); 2017年度: 15,470千円 (直接経費: 11,900千円、間接経費: 3,570千円); 2016年度: 16,380千円 (直接経費: 12,600千円、間接経費: 3,780千円); 2015年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円)
• キーワード: 面発光レーザ / 光インターコネクト / データセンタ / 半導体レーザ / 直接変調 / 外部変調器 / 高速変調 / データセンター

研究成果の概要

面発光レーザは，光インターコネクトなど，高速化が強く求められている．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ことを目指した．まずレート方程式モデルにより，小信号変調帯域として，50GHzが得られることを示し，結合共振器の数を増やすことで，小信号変調帯域として，100GHzを越える変調帯域の可能を示した．実際に850nm帯結合共振器デバイスを製作して，小信号変調帯域30GHz，大信号変調48Gbpsを実現した．また，低消費電力を進め，100fJ/bitの低エネルギー動作を実証するとともに外部変調器集積光源を製作し， 1mWを越える光出力を得た．

研究成果

• [国際共同研究] King Abdulaziz University(Saudi Arabia)
• [雑誌論文] High-speed wavelength switching of tunable MEMS vertical cavity surface emitting laser by ringing suppression (2018)
  • 著者名/発表者名: Inoue Shunya、Nishimura Shun、Nakahama Masanori、Matsutani Akihiro、Sakaguchi Takahiro、Koyama Fumio
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 57 号: 4 ページ: 040308-040308
  • DOI: 10.7567/jjap.57.040308
  • NAID: 210000148802
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancing the modulation bandwidth of VCSELs to the millimeter-waveband using strong transverse slow-light feedback (2015)
  • 著者名/発表者名: Moustafa Ahmed, Ahmed Bakry, Mohamed S. Alghamdi, Hamed Dalir, Fumio Koyama
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 23 号: 12 ページ: 15365-15371
  • DOI: 10.1364/oe.23.015365
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 850nm transverse-coupled-cavity vertical-cavity surface-emitting laser with direct modulation bandwidth of over 30GHz (2015)
  • 著者名/発表者名: Xiaodong Gu, Masanori Nakahama, Akihiro Matsutani, Moustafa Ahmed, Ahmed Bakry, Fumio Koyama
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 8 号: 8 ページ: 082702-082702
  • DOI: 10.7567/apex.8.082702
  • NAID: 210000137613
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 面発光レーザーの最近の進展－高速変調と機能集積－ (2015)
  • 著者名/発表者名: 小山二三夫
  • 雑誌名: レーザー研究 巻: 43 ページ: 425-429
  • NAID: 130007957130
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Low chirp and high-speed operation of transverse coupled cavity VCSEL (2015)
  • 著者名/発表者名: 9.Shanting Hu, Moustafa Ahmed, Ahmed Bakry, Fumio Koyama
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 54 号: 9 ページ: 090304-090304
  • DOI: 10.7567/jjap.54.090304
  • NAID: 210000145642
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Sub-gigahertz beam switching of vertical-cavity surface-emitting laser with transverse coupled cavity (2015)
  • 著者名/発表者名: 10.Masanori Nakahama, Xiaodong Gu, Takahiro Sakaguchi, Akihiro Matsutani, Moustafa Ahmed, Ahmed Bakry, Fumio Koyama
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 107 号: 7
  • DOI: 10.1063/1.4929147
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Modulation Response of an Electro-absorption Modulator Integrated with Transverse Coupled Cavity VCSELs (2018)
  • 著者名/発表者名: Shanting Hu, Fumio Koyama
  • 学会等名: 第65回 応用物理学会 春季学術講演会
• [学会発表] Physics and applications of VCSEL photonics (2017)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: International Conference on Physics Materials Sciences and Engineering
  • 発表場所: Luxor
  • 年月日: 2017-03-23
  • 招待講演
• [学会発表] Numerical analysis of high output slow light VCSEL amplifier (2017)
  • 著者名/発表者名: Ahmed Mohamed Ahmed Hassan,Moustafa Ahmed,Masanori Nakahama,Fumio Koyama
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 2017-03-15
• [学会発表] Enhancing the modulation bandwidth of double transverse coupled cavity VCSELs (2017)
  • 著者名/発表者名: Hameeda Ibrahim,Moustafa Ahmed,Fumio Koyama
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 2017-03-15
• [学会発表] Electro-absorption Modulator Integrated with Transverse Coupled Cavity VCSELs (2017)
  • 著者名/発表者名: Shanting Hu,Xiaodong Gu,Fumio Koyama
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 神奈川
  • 年月日: 2017-03-15
• [学会発表] Advances in surface emitting lasers (2017)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: Third WRHI workshop on Asian Industry Highway
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Large Signal Modultion Analysis Of High-speed Transverse Coupled Cavity VCSELs (2017)
  • 著者名/発表者名: Hameeda Ibrahim, Fumio Koyama, Moustafa Ahmed
  • 学会等名: The 12th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim
  • 国際学会
• [学会発表] Sub-volt Wavelength Sweep Operation Of MEMS VCSEL Employing High-Q Mechanical Resonanc (2017)
  • 著者名/発表者名: Masanori Nakahama, Shunya Inoue, Shun Nishimura, Akihiro Matsutani, Takahiro Sakaguchi, Fumio Koyama
  • 学会等名: The 12th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim
  • 国際学会
• [学会発表] Unidirectional Coupling Of Laterally Coupled VCSEL And Slow Light Modulator/Amplifier (2017)
  • 著者名/発表者名: Shanting Hu, Akihiro Matsutani, Fumio Koyama
  • 学会等名: The 12th Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim
  • 国際学会
• [学会発表] Emerging trends and challenges in high-speed and short-reach optical communications and interconnects (2017)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: Huawei Strategy & Technology Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] VCSELs Laterally Coupled with a Slow Light Modulator/Amplifier Showing Unidirectional Coupling (2017)
  • 著者名/発表者名: Shanting Hu, Akihiro Matsutani and Fumio Koyama
  • 学会等名: International Nano-Optoelectronics Workshop 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Large Signal Modulation Analysis of High-speed Double Transverse Coupled Cavity VCSELs (2017)
  • 著者名/発表者名: Hameeda Ibrahim, Fumio Koyama, Moustafa Ahmed
  • 学会等名: The 24th General Congress of the International Commission for Optics
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical analysis of Watt-class VCSEL amplifier (2017)
  • 著者名/発表者名: Ahmed Hassan , Moustafa Ahmed, Masanori Nakahama, F.umio Koyama
  • 学会等名: The 24th General Congress of the International Commission for Optics
  • 国際学会
• [学会発表] High Speed VCSEL (2017)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: Key Optical Communication Technologies Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electro-absorption Modulator Integrated with Transverse Coupled Cavity VCSELs (2017)
  • 著者名/発表者名: Shanting Hu, Xiaodong Gu, Akihiro Matsutani, Fumio Koyama
  • 学会等名: The 24th General Congress of the International Commission for Optics
  • 国際学会
• [学会発表] 電圧波形制御によるMEMS VCSELのリンギング抑制 (2017)
  • 著者名/発表者名: 井上俊也、西村駿、中濱正統、松谷晃宏、坂口孝浩、小山二三夫
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 面発光レーザ集積フォトニクスの最新動向と応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小山二三夫
  • 学会等名: 光技術動向セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 光通信用850 nm帯面発光レーザの低消費電力化と高速化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 近藤崇,櫻井淳,城岸直樹,白井優司,早川純一朗,村上朱実,村田道昭,顧暁冬,小山二三夫
  • 学会等名: 2017年電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • 招待講演
• [学会発表] New Function and Integration of VCSEL Photonics (2017)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: レーザ・量子エレクトロニクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 面発光レーザフォトニクスの進展 -高速変調と機能集積- (2016)
  • 著者名/発表者名: 小山二三夫
  • 学会等名: 第7回 超高速フォトニクスシンポジウム
  • 発表場所: 小金井市
  • 年月日: 2016-12-07
• [学会発表] Modulation Bandwidth Enhancement of Double Transverse Coupled Cavity VCSELs (2016)
  • 著者名/発表者名: Hameeda Ibrahim,Ahmed Mohamed Ahmed Hassan,Fumio Koyama
  • 学会等名: 21st MICROOPTICS CONFERENCE,MOC2016
  • 発表場所: Berkeley
  • 年月日: 2016-10-13
  • 国際学会
• [学会発表] VCSEL Photonics for Optical Interconnects (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: 21st MICROOPTICS CONFERENCE,MOC2016
  • 発表場所: Berkeley
  • 年月日: 2016-10-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Temperature Characteristics of Photo Detector Integrated Transverse-Coupled-Cavity VCSELs (2016)
  • 著者名/発表者名: Naoki Jogan,Junichiro Hayakawa,Takashi Kondo,Akemi Murakami,Jun Sakurai,Xiaodong Gu,Fumio Koyama
  • 学会等名: 25th International Semiconductor Laser Conference
  • 発表場所: Kobe
  • 年月日: 2016-09-14
  • 国際学会
• [学会発表] 面発光レーザと集積したブラッグ反射鏡導波路増幅器の高シングルモード出力動作 (2016)
  • 著者名/発表者名: 顧暁冬,許在旭,中濵正統,松谷晃宏,小山二三夫
  • 学会等名: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 新潟
  • 年月日: 2016-09-14
• [学会発表] Temperature Dependence of Small Signal Response of 850 nm Transverse-Coupled- Cavity VCSELs (2016)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kondo,Junichiro Hayakawa,Naoki Jogan,Akemi Murakami,Jun Sakurai,Xiaodong Gu,Fumio Koyama
  • 学会等名: 25th International Semiconductor Laser Conference
  • 発表場所: Kobe
  • 年月日: 2016-09-13
  • 国際学会
• [学会発表] High speed modulation of transverse coupled cavity VCSELs (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: 21st. Optoelectronics and Communications Conference
  • 発表場所: Niigata
  • 年月日: 2016-07-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] VCSEL-Integrated Bragg Reflector Waveguide Amplifier with Single-mode Output Power over 10 mW (2016)
  • 著者名/発表者名: Xiaodong Gu,Masanori Nakahama,Akihiro Matsutani,Fumio Koyama
  • 学会等名: 21st. Optoelectronics and Communications Conference
  • 発表場所: Niigata
  • 年月日: 2016-07-04
  • 国際学会
• [学会発表] High speed modulation of transverse coupled cavity VCSELs (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: OECC/PS 2016
  • 発表場所: Niigata
  • 年月日: 2016-07-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Low chirp operation of transverse-coupled-cavity VCSELs (2016)
  • 著者名/発表者名: Shanting Hu,Xiaodong Gu,Fumio Koyama
  • 学会等名: Conference on Lasers and Electro-Optics 2016
  • 発表場所: San Jose
  • 年月日: 2016-06-10
  • 国際学会
• [学会発表] Lateral integration of VCSEL and electro-absorption modulator/beam scanner (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: SPIE Photonics Europe
  • 発表場所: Brusseles
  • 年月日: 2016-04-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Beam steering and vortex beam creation in VCSEL photonics (2016)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: SPIE. Photonics West 2016
  • 発表場所: San Francisco
  • 年月日: 2016-02-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coupled mode analysis of High-speed Transverse Coupled Cavity VCSEL (2015)
  • 著者名/発表者名: Shanting Hu and Fumio Koyama
  • 学会等名: Microoptics Conference 2015
  • 発表場所: Fukuoka
  • 年月日: 2015-10-27
  • 国際学会
• [学会発表] Beam Engineering in VCSEL Photonics (2015)
  • 著者名/発表者名: Fumio Koyama
  • 学会等名: International Nano-Optoelectronics Workshop 2015
  • 発表場所: Tokyo
  • 年月日: 2015-08-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Chirp Reduction and Modulation Bandwidth Enhancement of Transverse Coupled Cavity VCSEL (2015)
  • 著者名/発表者名: Shanting Hu and Fumio Koyama
  • 学会等名: The 20th Opto Electronics and Communications Conference
  • 発表場所: Shanghai
  • 年月日: 2015-07-01
  • 国際学会
• [学会発表] Millimeter-wave Modulation of 850 nm VCSELs for Radio over Fiber Applications (2015)
  • 著者名/発表者名: Hamed Dalir and Fumio Koyama
  • 学会等名: CLEO 2015
  • 発表場所: San Jose
  • 年月日: 2015-05-15
  • 国際学会
• [学会発表] High-speed Directly Modulated Laterally-coupled Twin Stripe Lasers for Optical Interconnects (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Taniguchi, Hamed Dalir and Fumio Koyama
  • 学会等名: CLEO 2015
  • 発表場所: San Jose
  • 年月日: 2015-05-13
  • 国際学会
• [学会発表] Application of Strong Slow-Light Feedback to Boost the Modulation Bandwidth of VCSELs Beyond 70 GHz (2015)
  • 著者名/発表者名: Moustafa Ahmed, Ahmed Bakry, Hamed Dalir and Fumio Koyama
  • 学会等名: CLEO 2015
  • 発表場所: San Jose
  • 年月日: 2015-05-11
  • 国際学会
• [産業財産権] 面発光レーザ (2017)
  • 発明者名: 小山二三夫 中濱正統 顧 暁冬
  • 権利者名: 小山二三夫 中濱正統 顧 暁冬
  • 産業財産権種類: 特許
  • 出願年月日: 2017-02-24
  • 外国