White Paper量子ドットレーザ（株）QD レーザ

１．はじめにトレーザを実現する高密度量子ドットの結晶成長条件

波長 1310nm 帯の半導体レーザは、主にインターを見出し、実用化に成功しました。

ネットやＳＮＳの発展を支えるデータセンター内やデータセンター間の光通信用光源として広く使用されています。近年では、シリコンフォトニクスと呼ばれる小型で高速動作が可能なシリコン光回路用の光源としても導入されています。また、シリコンフォトニクスの新たな用途として、自動運転や高度なロボティクスを実現
す る た め の Ｌ ｉ Ｄ Ａ Ｒ (Light Detection AndRanging)の研究開発が進められています。
これらの用途に対する半導体レーザへの要求は、高温環境での高い信頼性、外部からの戻り光に対する優れた光耐性です。当社ではこれらの要求に応え得る量

図 2. GaAs 基板上 InAs 量子ドットの原子間力顕子ドットレーザの開発・生産を行っています（図 1）。本微鏡による観察像. （a）上面図, (b)高さを立体的に示稿では、量子ドットレーザの特長についてご紹介しました鳥瞰図す。
当社の量子ドットレーザの特長として、(1) 高温環境での安定動作と高い信頼性、(2) 優れた戻り光耐性があげられます。
以下で、それぞれの特長について解説します。
図 1. 量子ドットレーザ(1) 高温環境での安定動作と高い信頼性
2. 量子ドットの特長

シリコンフォトニクスの大きな特長は、CMOS プロ

当社の量子ドットは、分子線エピタキシー(ＭＢＥ：セスを活用し小型かつ低コストな光送受信器を可能とMolecular Beam Epitaxy)法を用いて作製してする点にあります。半導体レーザからの出射光をレンいます。MBE 法とは超高真空に保たれた成長室におズを使わず直接シリコン光回路に結合させると、光結いて、るつぼから材料となる元素を蒸発させることで合損失が大きくなるものの、さらなる部品点数削減に基板上に結晶を成長させる手法です。当社は長年による低コスト化、パッケージの小型化が可能になるたわたる研究開発の積み重ねのなかで結晶成長物理へめ、半導体レーザには高出力化が望まれています。の理解を深めることで、結晶成長レートや基板温度等の様々な成長条件の組み合わせから、優れた量子ドッ

図3に 量 子 ド ッ トDFB(DistributedFeedBack)レーザの代表的な電流―光出力特性を
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示します。25℃で 90 mW、85℃で 40 mW 以上のて活性層に欠陥が生成された場合、量子井戸レーザで高い光出力が得られています。図 4 は 85℃での発振は連続した活性層平面内を欠陥が伝搬するため劣化スペクトルです。光出力の安定性を示す副モード抑圧が速く進行します。これに対して量子ドットレーザの場比は 50 dB 以上が得られており、高温においてもノ合は、一つ一つの量子ドットが空間的に分離されておイズの少ない光源であることがわかります。

り、欠陥が周囲に伝搬せず劣化の進行が緩やかになるため、信頼性が高いと考えられます。

図 5. 推定寿命のワイブルプロット
図 3. 量子ドット DFB レーザの電流―光出力特性(2) 優れた戻り光耐性
量子井戸レーザを光ファイバ通信に用いると、光ファイバの接続点で反射して戻ってきた光がレーザ内部の光強度を不安定化させ、ノイズが大きくなる場合があります。これを防ぐためにレーザと光ファイバの間にアイソレータを配置しますが、シリコンフォトニクス
では部品点数や実装コスト削減のためにアイソレータの不要な光源が望まれています。
図６に反射戻り光耐性の測定結果を示します[1]。
縦軸は 相対強度 雑音(RIN: Relative IntensityNoise)と呼ばれ、グラフの上方向にいくほど光源の図 4. 85℃での発振スペクトルノイズが大きいことを意味します。量子井戸レーザでは戻り光量が一定以上になるとノイズが増大しますが、図 5 に信頼性試験の結果を 示し ます 。85℃とそれに対して量子ドットレーザは戻り光量が増えても95℃における素子寿命(MTTF)は、それぞれ 28 万

量子井戸レーザよりもノイズが抑制されています。こ

時間、11.2 万時間と推定され、実用上十分な信頼性のように量子ドットレーザは外部からの戻り光耐性にを有しています。動作中の電流や光のストレスによっ優れているため、アイソレータの不要なシリコンフォト
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ニクスの実現が期待されます。

図 7. 超薄型光モジュール

伝送容量増大のために、レーザ発光部を同一素子に近接させて並べたレーザアレイ（図 8）と並列光導波路を組み合わせ、高密度・並列伝送する方式も考えられます。ここで問題となるのがレーザ自身の発熱で、隣接する発光部との距離が近いことから素子全体の温度が上昇し、光出力が低下してしまいます。量子ドッ
図 6. 戻り光に対するノイズ量. QW-DFB: 量子井戸

トレーザはこれらの高温環境でも安定動作するため、DFB レーザ, QD-DFB: 量子ドット DFB レーザ,レーザの発光部の間隔を狭めた高密度光源において

QD-FP: 量子ドットファブリペローレーザも光出力の低下が抑制できます。

3. アプリケーション例
3-1. 光インターコネクト
データセンターに適用されているシリコンフォトニク
スは、伝送容量増大にともない多チャンネル化や高速化が進められており、現在電気によって通信されているボード間やＩＣ間通信も、通信速度のさらなる向上

図 8. 高密度量子ドットレーザアレイ

によって、光インターコネクト（短距離光通信）に置き換わると予想されています。これを実現するためには、

3-2. LiDAR半導体レーザを高温となる IC に近接させて配置する

LiDAR はパルス光や連続光を外部に照射し、物体か必要があるため、高温での高い信頼性を有する量子ドらの反射戻り光の強度や位相を検出器で計測するこットレーザの適用が期待されています。また、量子ドッとによって、対象物の距離と速度を検知する技術です。

トレーザは戻り光耐性に優れているため、アイソレータ

高 度 な 自 動運 転 や ロボ ティ ク ス へ 適 用 す る た め 、とレンズを排除した超薄型の光モジュールも可能とな

LiDAR の高性能化と小型化が望まれており、この実ります（図 7）。

現のためには検出器と光源を近接させる、もしくは一体化させる必要があります。しかし、量子井戸レーザに外部から光が入射するとレーザの光出力が不安定
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また、自動運転用ＬｉＤＡＲの場合は高温環境下での動作が求められるため、耐環境性に優れた量子ドットレーザの特長が活かされます。

4. おわりに
本稿では、(株)QD レーザの量子ドットレーザについて紹介しました。量子ドットレーザのもつ高温環境での高い信頼性、外部からの戻り光に対する堅牢性はシリコンフォトニクス用光源に適しており、お客様のオンリーワン製品の創出に貢献いたします。

参考文献[1] K. Mizutani, et al., “Isolator free optical
I/O core transmitter by using quantum dotlaser”, proc. 2015 IEEE 12th International
Conference on Group IV Photonics (GFP),
pp.177-178, 2015.

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