第 203 号・2023 年 7 月

住友電工テクニカルレビュー

情報通信

1.3 µm 帯フォトニック結晶面発光レーザ
1.3- µm-Wavelength Photonic Crystal Surface-Emitting Lasers

伊藤友樹 *青木田中礼

小笠原Yuhki ItohRei Tanaka

健志

Takeshi Aoki

藤井康祐

吉永弘幸

Kosuke Fujii

誠

Makoto Ogasawara

Hiroyuki Yoshinaga

情報通信量が増大の一途を辿る中、データセンタでは、多チャネル化により通信量の急増に対応してきた。一方、現状のシステムでは、1チャネルにつき1つの半導体レーザを使用するため、消費電力の増大や、部品点数の増加による高コスト化が問題となっている。
高光出力の単体レーザ素子から多チャネルに光を分岐する構成が提案されており、その要求を満たす高出力かつ単一モードの通信用レーザが求められている。しかし、既存の通信用レーザで、単一モードかつ高出力を得ることは、原理的な限界を迎えつつある。我々は、単一モードと高出力動作を両立する次世代の半導体レーザとして、1.3 µm 帯の InP 系フォトニック結晶レーザを検討している。
ドライエッチングと再成長技術を用いて作製した InP 材料系 PCSEL において、室温連続駆動において200 mW を超える単一モード発振を実証した。さらに、短パルス駆動においては、4.6 W の高出力を達成し、通信だけでなくセンシング用途にも応用可能である結果を見出した。

To address the growing demand for data traffic, data centers have been increasing the number of channels. However,current systems use one semiconductor laser per channel, resulting in higher power consumption and high costs due tothe increased number of components. To overcome these challenges, a novel approach has been proposed, where lightfrom a single laser with high output power is branched to create multiple channels. However, existing telecommunication
lasers have reached the limit in achieving high output power with single-mode lasing in principle. Therefore, we haveconducted research on 1.3- μm-wavelength InP-based photonic crystal surface-emitting lasers (PCSELs) as the nextgeneration semiconductor laser capable of both single-mode lasing and high output power. We have demonstrated over
200 mW single-mode operation under continuous-wave conditions at room temperature by using dry-etching andregrowth technique. In addition, we have achieved a high output power of 4.6 W in short-pulse operation. These results
suggest that PCSELs can be used not only for communications but also for sensing applications.
キーワード：フォトニック結晶、面発光レーザ、フォトニック結晶レーザ、InP、再成長

1.

緒

言

開し、通信波長帯かつ Eye-safe 性の高い波長である1.3 µm

スマートフォンの普及や SNS・動画配信サービスの拡大、～1.55 µm 帯の PCSEL を検討している。本稿では、PCSEL在宅勤務などの働き方の変化から、ネットワーク通信量はの動作原理や特徴を述べたうえで、InP 材料系 PCSEL の作増大の一途を辿っている。これらを支えるデータセンタで製技術とそれを用いて作製したレーザの特性について述べは、これまで多チャネル化によりデータ通信量の増大に対る。最適化したドライエッチングおよび埋め込み再成長技

応してきたが、現状のシステムでは1チャネルにつき1つの術を用いて作製した InP 材料系 PCSEL において、室温連続半導体レーザを使用するため、消費電力の増大や部品点数（CW: Continuous-Wave）駆動での単一モード発振（3）の増加による高コスト化が問題となっている。これらの課や、二重格子フォトニック結晶の導入による200 mW を超題を解決するため、単一のレーザ素子から多チャネルに光（5）える高出力・単一モード動作（4）、、短パルス駆動でのワッを分岐する構成が提案されており、その要求を満たす高出ト級の高出力動作（6）を実証してきたので、その結果につい力かつ単一モードの通信用半導体レーザが強く求められてて報告する。

いる。しかし、既存の通信用レーザの高出力化は、原理的な限界を迎えつつあり、既存技術の制約を打破する次世代2.

半導体レーザの開発が求められている。

フォトニック結晶レーザの動作原理

このような背景の中、我々は、単一モードと高出力動作をInP 系 PCSEL のデバイス構造を図1（a）に示す。PCSEL両立する次世代半導体レーザとして、フォトニック結晶面は活性層近傍に設けた2次元フォトニック結晶※1（PC）に発光レーザ（PCSEL: Photonic-Crystal Surface-Emittingより形成されるフォトニックバンドの特異点（Γ点，図1Laser）の研究・開発を京都大学と共同で進めている。

（b））での共振を利用した面発光型のレーザである。図1～940 nm 帯の GaAs 材料系の PCSEL では、すでにワット（c）に示すように、PC 面内の180°方向の光の結合に加え級から10ワット級の高出力かつ単一モードのレーザ動作がて、90°方向の光の結合により、数百 µm 径の大面積にお（2）実証されている（1）、。我々は、その技術を InP 材料系に展いても安定したレーザ発振が得られ、出力光は、面垂直方
1.3 µm帯フォトニック結晶面発光レーザ30（1）住友電工テクニカルレビュー

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向に取り出される。PCSEL の特徴を代表的な既存レーザで来する。PCSEL は、2次元共振作用により、共振器サイズある分布帰還型端面出射型レーザ（DFB レーザ）および垂が増大可能で、面垂直方向に出射可能なことから、共振方直共振器型面発光レーザ（VCSEL）と比較したものを図2

向と出射方向も異なり、設計の自由度が向上している。高に示す。DFB レーザで高出力を得るには、共振器の長尺化次モードをカットオフするように PC を最適に設計するこやストライプの幅広化が必要であるが、前者は低光結合係とで、デバイス面積を拡大することが可能であり、高出力数の回折格子の設計に限界があり、後者は、多モード発振かつ単一モード発振を両立することができる。また、大面の課題がある。また、VCSEL の場合についても、アパー積でコヒーレントな共振が得られることで、回折限界に近チャ径の拡大により高出力化が可能であるが、この場合もい、発散角1°以下の高収束光が得られることも PCSEL の特多モード発振の課題がある。このように既存レーザでは、徴である。狭幅な発散角のビームにより、レンズ等の光学単一モード発振と高出力化にトレードオフの関係があり、部品の削減が見込めることから、通信システムとしてのコ

これは、光の共振が一方向に限られ共振器サイズに限りがストダウンが期待できる。

あることと、共振方向と出射方向が一致していることに由

3.
3－1

光出力

デバイス作製方法と空孔形成技術

デバイス作製方法

n-InP基板上にn-InGaAsP層を有機金属気相成長（MOVPE）(a)により成長し、その後、電子ビーム露光とドライエッチングにより格子定数～400 nm の高アスペクト比の空孔を有する PC を形成する。その後、MOVPE による再成長を用いて、空孔深さを保持しながら、InP スペーサ層で平坦化を行った。続いて、多層量子井戸（MQW）活性層、p-InP ク
ラッド層、p-GaInAs コンタクト層を順に再成長した。光の取り出しは基板側とし、n 電極に円形の窓を形成した。

(b)フォトニックバンド構造

Frequency [c/a]0.31

電流注入領域を決定する p 電極の直径は200 µm とした。

(c)フォトニック結晶層内における2次元共振

PC には、図3に示す楕円二重格子 PC を採用した。2つの正方格子の PC を間隔 d でシフトさせて配置した構造であり、その片方の格子点を楕円形状としている。GaAs 系 PCSEL

0.30

Band edge

では、この楕円二重格子により非対称性を高め、垂直方向90°方向結合への放射を強める効果が実証されており（2）、我々は、InP 系

180°方向結合0.29X

Γ
WavevectorMΓ

では初めてこの楕円二重格子 PC を採用し、高出力・単一MXモード発振に向け、格子間の間隔 d や楕円形状の最適化を行った。

図1 （a）InP 系 PCSEL の構造図と（b）フォトニックバンド構造、（c）PC 面内での光の結合

DFB-LD(VCSEL)(20~30°)(5~20°)

図2(PCSEL)(<1°)

PCSEL の特徴
1.3 µm帯フォトニック結晶面発光レーザ

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いては、異方性の強い条件を適応することで、楕円二重格2つの正方格子をシフトさせて配置
格子定数a≃λa
重心間距離dd

子 PC に必要な、直径100 nm 以下の小さな空孔を、400nm 以上の深さで形成することを可能とした（7）。また、再成長においては、横方向成長を促進した成長条件を見出しdた結果、100 nm 以下の InP スペーサの厚みで平坦な表面空孔形状を得ることに成功した。InP スペーサ成長後の AFM 観察像からは、ステップ・テラス構造を観察し、原子層レベルで平坦な InP スペーサ表面を空孔上に形成可能であることを明らかにした（3）。以上のプロセスを用いることで、楕円空重心間距離(d)、空孔の大きさ/形状を調整

孔の深さ600 nm、円形空孔の深さは450 nm、アスペク
ト比 > 5の均一な空孔を形成することができた。これらの二重格子の効果

垂直方向の回折光を強める

面内の光閉じ込めを適切に弱める

放射波

検討の結果、十分な厚みの PC 層を活性層の近傍に形成することができ、PC 層と活性層の光閉じ込め係数を共に高めることが可能な、高い結合定数を得られる構造とした。

垂直方向への回折

180°
回折××90°回折デバイス特性

作製した二重格子 PCSEL の室温パルス駆動における電流消失性干渉
高出力

4.

大面積・単一モード動作- 光出力（I-L）特性を図5に示す。比較のため、同じデバイス構造で作製した円形単一格子 PCSEL の結果も示した。
パルス幅1 µs、デューティ比0.1％で評価した。二重格子

図3

PCSEL において光出力の大幅な向上が確認でき、単一格子二重格子フォトニック結晶とその効果

PCSEL に対して25倍のスロープ効率が得られた。この結果
は、非対称性を高めた二重格子 PC の導入により、垂直方向の光の放射が設計通り増加できたことを示す。
3－2

高アスペクト比の深い空孔の形成技術

図4には空孔形成プロセスと InP スペーサ成長後の原子間力顕微鏡（AFM）像、MQW 成長後の空孔断面の走査型顕微鏡（SEM）像を示す。我々のデバイスの特徴として、ドOptical power (a. u.)

ライエッチングと再成長を用いて、高アスペクト比の深い空孔を形成した点が挙げられる。図4に示すように、PC 上部に活性層を設けることで、PC 形成時の活性層へのドライエッチングダメージを回避しつつ、高アスペクト比の深い空孔を、活性層近傍に形成できる。ドライエッチングにお図5× ××××××××

2.5 mRoughness
0.22 nm

1 (nm)

図4

100 200 300 400 500

Current (mA)

室温パルス駆動における電流 - 光出力（I-L）特性。
パルス幅1 µs、デューティ比0.1%。

SEM

二重格子 PCSEL の CW 駆動での I-L 評価結果を図6（a）に0-1

250MQWs

AFM

Pulse at 25 C
Pulse width = 1 s
Duty ratio = 0.1%

400 nm

空孔形成のプロセスとInP スペーサ成長後の AFM 像と活性層成長後の空孔断面の SEM 像示す。25℃から80℃までの広い温度範囲で発振を確認できた。25℃におけるしきい値電流（Ith）は230 mA（しきい値電流密度（Jth）730 A/cm2）、ピーク出力は240 mWであった。25℃での最大スロープ効率は0.21 W/A で、電1.3 µm帯フォトニック結晶面発光レーザ

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力変換効率は約800 mA で最大値をとり11％であった。

図8に25℃と80℃におけるCW 駆動時の電流 1000 mA

PCSEL は原理的に光が出射側と裏面側の上下に回折されの時の遠視野像を示す。25℃～80℃の温度範囲で単峰かつる。反射ミラー構造を導入し、裏面からの反射光を活用す狭幅なビームを観測し、その発散角は1.5°以下であった。

ることで、さらなる光出力とスロープ効率の増大が期待でこの結果は、PCSEL の特徴である単一モードかつ高収束なきる。しきい値電流密度の温度依存性を図6（b）に示す。

ビームを80℃の高温においても維持できることを示す。既30-80℃の温度範囲における、しきい値電流密度の温度依存

存の DFB レーザの発散角は約20～30°であるのに対して、性から、特性温度 （T0）を見積もった結果、53.7 KであっPCSEL は～1°程度の狭発散角の単峰ビームが得られる。狭た。この値は、InP 系 DFB レーザとほぼ同等の値であり、発散角のビームは、センシング用途において、空間分解能

PCSELの温度特性が DFBレーザと同等であることを示す。

や測距距離の向上に寄与し、特に LiDAR（Light Detection※2And Ranging）のようなセンシング用途の光源において応用が期待される。ToF（Time of Flight）方式の LiDAR 用

150

光源の場合、ナノ秒オーダーの短パルスでのレーザ駆動が(b)想定されている。そこで、InP 系 PCSEL のセンシング用途

30 C

CW
Aperture size
200 m

200

225 C

(a)

50 C
60 C

1

価した。

T0 = 53.7K(@30 – 80 C)

th

100

を見据えた基礎評価として、短パルス駆動での I-L 特性を評

1.540 CJ (kA/cm2)

70 C

0.55025 C, 1000 mA

500

1000

1500

2000

Current (mA)

0203040506070

Temperature (oC)80

Intensity (a. u.)

0FFPs80 C
011-3 -2 -1 0 1 2 3Angle (degree)-3 -2 -1 0 1 2 3Angle (degree)

Divergence angle(1/e2) 1.24

図6 （a）二重格子 PCSEL の CW 駆動での I-L 特性と（b）しきい値電流密度の温度依存性
図8

80 C, 1000 mA
Intensity (a. u.)

Optical power (mW)

250

1.46

25℃と80℃における CW 駆動時の電流1000 mA の時の遠視野像

図7（a）に同デバイスの CW 駆動における発振スペクトルを示す。25℃、50℃、80℃での各ピーク出力付近の注入電流時のスペクトルを示した。すべての温度で単一モー

図9に短パルス駆動における I-L 特性の評価結果を示す。

ド発振が得られており、高温の80℃でも副モード抑圧比

室温でパルス周期 1 ms において、パルス幅 2 µs と20 ns（SMSR）は、48 dB を超えた。また、発振直後の低電流領の条件で測定した。パルス幅2 µs では、駆動電流5 A 付近域においても、各温度で単一モード発振を観測しており、で、光出力の飽和傾向を観測し、その時の光出力は～700モードホップフリー動作を確認した。図7（b）には発振波

mW 程度だった。一方、20 ns の短パルスで駆動した場長の温度依存性を示した。温度に対する波長シフト量は合、測定系の上限である35 A において4.6 W のピーク出0.103 nm/Kであり、既存のInP 系 DFBレーザと同等の値であった。
5500-50

B

CW

48 dB
D C

80 C
1200 mA
A53 dB
50 C
1600 mA
SMSR
52 dB 25 C
1600 mA-1001330 1335 1340 1345 1350 1355

Wavelength (nm)(b)1342Pulse at RT
Aperture size: 200 m
Duty cycle: 1 ms

41344

Optical power (W)

100(a)

Lasing wavelength (nm)

Relative optical power (dB)

150

1346

1200 mA
0.103 nm/K

1340
1338

3

Pulse width

20 ns2
1

Slope efficiency
0.21 W/A

2 s1336
20 30 40 50 60 70 80 90

0Temperature (oC)

図7 （a）二重格子 PCSEL の CW 駆動でのスペクトル評価結果と（b）発振波長の温度依存性

図905101520

Current (A)253035

短パルス駆動における PCSEL の I-L 特性
1.3 µm帯フォトニック結晶面発光レーザ

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力を達成し、InP 系 PCSEL として、最大の光出力を実証し5.

た。さらなる短パルス化やデバイスサイズの拡大、パルス結言駆動に適したPC の設計等でさらなる高出力化が見込める。

1.3 µm 帯 InP 系二重格子 PCSEL を作製・評価し、室温

図10は、フォトニックバンド測定の結果を示す。しきいCW 駆動において240 mWで単一モード発振かつ狭幅な単値以下のパルス駆動（パルス1 µs, Duty 比0.1％）における峰なビームが得られた。また、短パルス駆動においては、自然放出光の角度成分ごとのスペクトルを評価することで4.6 W を超える高出力を達成した。これらは、InP 系 PCSELバンド構造を取得した 。正方格子 PC に由来する4つのバが、光通信およびセンシング用光源として有望であること

ンド端（低周波から順に A, B, C, D）を明瞭に観察でき、を示す結果である。

（8）

Γ点でのバンド端周波数を発振スペクトルと比較することで、発振モードをバンド端 B と同定した。また、各バンド6.

端の周波数から180°方向（κ1D）と90°方向（κ2D+, κ2D- ）謝

辞の光結合係数を算出すると、それぞれ、522 cm , 193

本研究は、京都大学のフォトニック結晶レーザ拠点、9）cm-1, 131 cm-1であった（2）（。この値の妥当性を評価する（PCSEL COE）の野田教授等との共同研究で進めたもので-1

ため、厳密結合波解析（RCWA）を行ったところ（10）、光ある。

結合係数（κ1D, κ2D+, κ2D- ）はそれぞれ、490 cm-1, 175
cm-1, 141 cm-1であった。実測と概ね一致しており、本デバイスの PC が設計通りの仕上がりであることを確認した。
楕円二重格子 PC では、2次元の光結合の強さを表すκ2D を

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

高めることで、安定な2次元共振を実現できることが報告※1

されている（9）。今回、100 cm-1以上と比較的高いκ2D を有光の伝播状態を制御するために設計された周期的な構造する PC を用いたことで、広い動作温度範囲で、高い SMSR

物。光の波長程度の周期で作製することで、特定の波長のの単一モード発振を実現できたと考える。

光をフォトニック結晶内に閉じ込めたり、導波させたりす

以上より、1.3 µm 帯の PCSEL において、高出力かつ単フォトニック結晶ることが可能である。

一モードの高収束光を、CW 駆動で出力できる性能を示した。レンズレスの高出力 CW 光源として光通信分野への応※2

特性温度用が期待される。また、短パルス駆動においてワット級のレーザの基本特性を示す指標の一つ。特性温度が高いほど、出力が得られたことから、LiDAR などのセンシング用途の高温でもレーザ発振可能であることを示す。

光源としても有望と考えられる。

Lasingspectrum

Normalized frequency

Band diagram

DC

Mode BBA

Normalized wavevectorM
図10X作製した PCSEL のフォトニックバンド構造参 考 文 献（1）	S. Noda, K. Kitamura, T. Okino, D. Yasuda, and Y. Tanaka.,“Photonic-crystal surface-emitting lasers: Review andintroduction of modulated-photonic crystals,”IEEE J. Sel. Top.
Quantum Electron. 23 (6)（2017）（2）	M. Yoshida, M. De Zoysa, K. Ishizaki, Y. Tanaka, M. Kawasaki,
R. Hatsuda, B. Song, J. Gelleta, and S. Noda.,“Doublelattice photonic-crystal resonators enabling high-brightness
semiconductor lasers with symmetric narrow-divergencebeams,”Nat. Mater. 18 (2), 121–128（2019）（3）	Y. Itoh, N. Kono, N. Fujiwara, H. Yagi, T. Katsuyama,
T. Kitamura, K. Fujii, M. Ekawa, H. Shoji, T. Inoue, M. De Zoysa,
K. Ishizaki, and S. Noda.,“Continous-wave lasing operationof 1.3-µm wavelength InP-based photonic crystal surfaceemitting lasers using MOVPE regrowth,”Opt. Express 28 (24),35483（2020）（4）	Y. Itoh, N. Kono, K. Fujii, H. Yoshinaga, N. Fujiwara, M. Ogasawara,
R. Tanaka, H. Yagi, M. Yanagisawa, M. Yoshida, T. Inoue,
M. De Zoysa, K. Ishizaki, and S. Noda.,“High-Power Single-Mode
Operation of 1.3 µm Wavelength Double-Lattice Photonic-Crystal
Surface-Emitting Lasers using InP-based Regrowth Process,”Conf.
Dig. - IEEE Int. Semicond. Laser Conf. 2022-Octob, Institute ofElectrical and Electronics Engineers Inc.（2022）（5）	Y. Itoh, N. Kono, D. Inoue, N. Fujiwara, M. Ogasawara, K. Fujii,
H. Yoshinaga, H. Yagi, M. Yanagisawa, M. Yoshida, T. Inoue,
M. De Zoysa, K. Ishizaki, and S. Noda.,“High-power CWoscillation of 1.3-µm wavelength InP-based photonic-crystal
surface-emitting lasers,”Opt. Express 30 (16), 29539（2022）

1.3 µm帯フォトニック結晶面発光レーザ

34（5）住友電工テクニカルレビュー

第 203 号・2023 年 7 月（6）	Y. Itoh, N. Kouno, K. Fujii, H. Yoshinaga, N. Fujiwara,
M. Ogasawara, R. Tanaka, H. Yagi, M. Yanagisawa, M. Yoshida,
T. Inoue, M. De Zoysa, K. Ishizaki, and S. Noda.,“High-powerwith single-lobe beam of 1.3-µm InP-based double-latticephotonic-crystal surface-emitting lasers,”Proc. SPIE Photonics
West 12440, 124400E（2023）（7）	Y. Itoh, N. Kono, N. Fujiwara, H. Yagi, T. Katsuyama, D. Inoue,K. Fujii, M. Ekawa, H. Shoji, T. Inoue, M. De Zoysa, K. Ishizaki,
and S. Noda.,“Low-Threshold Single-Mode Lasing from InPbased Double-Lattice Photonic Crystal Surface Emitting
Lasers with High-Aspect-Ratio Air Holes,”Conf. Dig. - IEEE Int.
Semicond. Laser Conf.（2021）（8）	K. Sakai, E. Miyai, T. Sakaguchi, D. Ohnishi, T. Okano, andS. Noda.,“Lasing band-edge identification for a surfaceemitting photonic crystal laser,”IEEE J. Sel. Areas Commun. 23(7), 1335–1340（2005）（9）	T. Inoue, M. Yoshida, J. Gelleta, K. Izumi, K. Yoshida, K. Ishizaki,
M. De Zoysa, and S. Noda., “General recipe to realize
photonic-crystal surface-emitting lasers with 100-W-to-1-kWsingle-mode operation,”Nat. Commun. 13 (1), 3262（2022）（10）	V. Liu and S. Fan.,“S4 : A free electromagnetic solver forlayered periodic structures,”Comput. Phys. Commun. 183(10), 2233–2244（2012）

執 筆 者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
伊藤友 樹 ＊ ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

青木

健 志 ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

主査

藤井康 祐 ：伝送デバイス研究所

主査

田中

礼 ：伝送デバイス研究所

主査

小笠原

誠 ：伝送デバイス研究所

吉永

弘 幸 ：伝送デバイス研究所

グループ長

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

1.3 µm帯フォトニック結晶面発光レーザ

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