NTTら,世界最速の直接変調レーザーを開発

日本電信電話(NTT)と東京工業大学は,高熱伝導率を持つSiC基板上にインジウムリン系化合物半導体を用いたメンブレンレーザーを開発した(ニュースリリース)。

データセンターでは現在,低消費電力・低コストな直接変調レーザーが多く使用されているが,変調速度に制限があり,90年代にレーザー活性層の高性能化により30GHz程度の3dB帯域が得られて以降,大きな進展はない。

これに対し,フォトン-フォトン共鳴が注目されている。レーザーの発振モードに隣接する縦モードとの離調(ディチューニング)を強度変調時に発生する側帯波の周波数に一致させることにより,その特定の変調周波数付近での強度変調を増強させるもので,これまでに3dB帯域55GHzと,112Gb/sのPAM4信号の生成が実現されている。

さらなる高速化に向け,フォトン-フォトン共鳴の周波数を大きくするには低周波領域から高周波領域にわたる周波数応答特性が平坦であることが必要となる。NTTでは,活性層の光閉じ込め係数に注目し,熱酸化膜(SiO2)付きシリコン(Si)基板上にメンブレンレーザーの開発を行なってきた。

このレーザーは活性層の光閉じ込め係数が大きく小型で,低消費電力な直接変調レーザーが実現できる。一方で,熱伝導率の小さなSiO2上に素子を作製していることから,電流量を増やしても活性層の利得の飽和により緩和振動周波数は20GHz程度で飽和していた。

今回,活性層での発熱を抑えることを目的にSiO2の約500倍の高い熱伝導率をもつ炭化ケイ素(SiC)基板上にインジウム燐(InP)系メンブレンレーザーを作製した。SiCはInPと比較して屈折率も小さく,光閉じ込め係数もSiO2上の素子とほぼ同等。

素子作製は,極薄膜(40nm)のSiO2を間に挟む直接接合を用いた。100mWの発熱源では,活性層長50μmのメンブレンレーザーの活性層の温度上昇は,SiO2膜厚を2μmから40nmにした場合,130.9度から16.8度になることがわかった。作製した素子では,緩和振動数が最大値となる電流値はSiO2上の素子では5.5mAだったのが30mAとなり,世界最高の緩和振動周波数42GHzと3dB帯域60GHzを得た。

フォトン-フォトン共鳴が95GHz付近で起こるような素子を設計したところ,3dB帯域108GHzを得るとともに,256Gb/s(2560億bit)のPAM4信号の生成,および2km伝送に成功した。

これにより,伝送容量が1tb/sを超えるような次世代イーサネットの規格に4つあるいは8つのアレイで対応可能な送信機の実現などが期待され,低消費電力化も実現できるとしている。

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