半導体全光ゲート
半導体全光ゲートのゲートの高密度電流注入・高密度電流注入・高速化実験用に高速化実験用に微小発熱体を利用する利用する負帰還温度制御する負帰還温度制御・負帰還温度制御・導波路結合安定化方式の導波路結合安定化方式の開発
先進理工学専攻
1

上野研究室

はじめに

吉川 恵太

度制御方式の有効性を実証し、実際に用いて半導体光増幅器(SOA)を含む全光ゲートは、 高密度電流注入によりSOAの緩和時定数を超高速動作、低消費電力、集積化が可能な点短縮した。

から超高速・大容量な光通信を実現する素子として期待されている [1]。全光ゲートにおい2光結合損失増大要因て重要な2つのパラメータとしてSOAの緩和

図 1(a),(b)に実際の実験構成写真を示し、時定数と非線形位相シフト量がある。SOAの

図 2 に本実験の chip 型 SOA とその固定用マ

緩和時定数は全光ゲート動作の限界速度をウント･ステージの模式図を示す。chip 型

決定づけ、非線形位相シフト量は出力光の消SOA はマウント上部に固定されており、光比を決定づける。SOAの緩和時定数を短くSOA との光入射・受光は左右のアームに固する手法としては光加速効果が挙げられる。

定された先球ファイバを用いている。SOA

光加速効果とは光注入によって緩和時定数の温度制御はサーミスタとペルチェ素子にを短くする効果のことである。光加速効果を取り付けてある温度調整器(温調)が行う。

得るためにはSOAの透明波長に第三の光をSOA 下部のサーミスタの抵抗値から SOA注入する方法などいくつかの方法があるが、温度を常時算出し、目標の設定温度になる

本研究ではCW光高強度注入をターゲットとように温調がペルチェ素子を使って吸熱まする。このCW光高強度注入はSOA内のキャたは発熱させるように電流を流して温度制リアの定常状態を下げ、緩和時定数を短縮す御を行っている。SOA の発熱量が増加したる方法であるが、この時非線形位相シフト量場合、ペルチェ素子は設定温度に保つようが小さくなってしまう。そこで大きな非線形に吸熱量を増加する。この時、マウント-ス位相シフト量を得るために、SOAへの高密度テージへの排熱量も増加するため、マウン電流注入が必要となる。しかし、SOAへの高ト-ステージの熱膨張量が増加し、台座上の密度電流注入を行う際、SOA発熱量がより大SOA とアームで固定された先球ファイバのきくなり、従来のSOA温度制御方式ではSOA相対位置がずれてしまう。このことが SOAと光結合している先球ファイバとの相対位と先球ファイバとの光結合損失増大を引き置がずれることに起因する光結合損失の増起こす(図 3)。

大が無視できなくなってきた。
本研究ではSOA台座における従来の温度制御方式を見直し、新たな温度制御方式である発熱補償温度制御方式を開発した。この温13

Room temperature 21.8 degree

Temperature [degree]

Mount top
Mount bottom2
Stage top
Stage bottom

25

1

2000.10 W
15-80 -60 -40 -200.47 W
00.10 W-1
20 40 60 80 100 120 140 160

Time [min]図 3. 熱膨張量の推移(b)Heat expansion of Mount-Stage[µm]30(a)@ペルチェ素子のみの温度制御

3発熱体(チップ発熱体 チップ抵抗
チップ 抵抗)を抵抗 を用 いた発熱
いた 発熱補償方式
2010 年博士前期課程の中原康貴氏が提案した発熱補償方式は図 2 にある発熱体(チップ抵抗)を使い、発熱体と SOA の発熱量を一定にすることによりペルチェ素子のマウント-ステージへの排熱量を一定に保つ方式である(図 4)。この方式を使えば、原理的
図 1. 実験構成写真に発熱量は一定に保つことができ、光結合(a)実験環境全体図損失は増大しない。しかし、手動制御で行(b)光結合の様子っていたため発熱量に差異が出てしまうことがある。差異が出てしまうと、サーミスタが差異を検知し、温調がペルチェ素子の排熱量を増減させてしまい、chip 型 SOA とファイバ間の光結合損失が増大してしまう。

Heating value [a.u.](図 5)

Total heating value
Heating value of chip Resistor
Heating value of chip SOA

図 2. SOA 固定用台座とステージの模式図

Time [a.u.]
図 4. 発熱補償方式の動作原理

2

3Temperature [degree]

Room temperature 23.9 degree30

Mount top
Mount bottom
Stage top
2Stage bottom
12500.10 W

20-80 -60 -40 -20

0.47 W 0.10 W
0-120 40 60 80 100 120 140 160

Time [min]Heat expansion of Mount-Stage[µm]35

図 5. 熱膨張量の推移

図 7. 発熱補償温度制御方式の構成@発熱補償方式

54

発熱補償温度制御方式熱膨張量の熱膨張量の抑制
ペルチェのみの負帰還温度制御方式、発新たな負帰還温度制御方式として発熱補熱補償方式、発熱補償温度制御方式の 3 方償温度制御方式を提案する。今回の発熱補式を用いて SOA 台座ステージ-マウント部償温度制御方式の概念を図 6 に示す。ペルの熱膨張量を測定した。熱膨張量はマウン

チェ素子による温度制御方式ではペルチェト部とステージ部の上下の温度をそれぞれ素子を温調によって自動で制御し、温度を測定し、マウント部の材料(アルミ)の線膨張一定に保っている。しかし、ペルチェ素子

率 2*10-6[/K]と長さ 15 mm、ステージ部の材からマウントへ排出される熱量は一定には料(鉄)の線膨張率 12*10-6[/K]と長さ 45 mmならない。発熱補償温度制御方式ではペルから算出した(図 8)。SOA(ここでは擬似抵チェ素子で一定量の吸熱と排熱を行う。温抗を用いた)の発熱量を 0.10 W とし、十分調を発熱体につなぐことにより、発熱でに熱平衡状態達した後 0.47 W へ切り替え、chip 型 SOA の温度を制御する構成にした

60 分後また 0.10 W へ切り替えた。この時の(図 7)。chip 型 SOA の発熱量が変わった場

SOA 台座ステージ-マウント部の熱膨張量合、自動的に発熱体の発熱量が変動するたの推移を描いた(図 9)。

め chip 型 SOA の温度は一定に保たれる。この時マウント-ステージ部への排熱量は一定に保たれるため熱膨張量増大が起きない。

15mm
アルミニウムの線膨張率:23*10^-6[/K]

45mm

鉄の線膨張率:12*10^-6[/K]

Measurement point of temperature
図 6. 発熱補償温度制御方式の概念

図 8. 熱膨張量の測定

3

11.5
100.5-10-2-80 -60 -40 -200-0.5
20 40 60 80 100 120 140 160

ASE Intensity [dBm]

Heat expansion of Mount-Stage[µm]20Compensating heat method
Only peltier device method-5-10800

600-15-20400-25-30200-35-40-50Time [min]0501000150

Injection current of SOA [mA]

23

Only Peltier device method
2.5
Manual compensating heat method
Automatic compensating heat method

Power consumption of fake SOA(Chip Resister)[W]3

図 9. 熱膨張量の推移

Time [min]従来方式よりも今回開発した発熱補償温図11. 自然放出光強度の時間変動比較度制御方式の方が熱膨張を抑制できている

ペルチェ素子のみの温度制御方式では200、ことが分かる。実験内で、ペルチェのみの

300 mA時それぞれ30分間で1.3、8.0 dB光結合

負帰還温度制御の最大熱膨張量は 1.4 µm、損失が増大してしまうが、発熱補償温度制御

発熱補償方式は 0.6 µm、発熱補償温度制御方式ではそれぞれ0.09、0.12 dBしか光結合損方式は 0.1 µm であった。

失は増大せず、今回開発した発熱補償温度制御方式の有用性を示した。

6

光結合損失増大の光結合損失増大の抑制
従来のペルチェのみの負帰還温度制御と7高密度電流注入時の高密度電流注入時の緩和時定数

発熱補償温度制御方式を用いて、chip 型

前述の発熱補償温度制御方式を用い、緩SOA の自然放出光(ASE)の強度推移を比較和時定数を測定した(実験構成図:図 12、結した(図 10)。十分に熱平衡状態にした後、果:図 13)。cw 光波長 1540 nm、強度 0 dBm、

SOA の注入電流を 100、200、100、300、100

パルス光波長 1555 nm、1 つ当たりのパルスmA と 30 分毎に切り替えた。結果は図 11

エネルギー300 fJ を SOA に同時に入射し、である。

相互利得変調(XGM)波形から緩和時定数を見積もった。chip 型 SOA は米国 InPhenix 社製、利得帯域 1.5 µm 帯、活性層幅 2 µm、活性層長 300、700、1000 µm の三種類を使用した。
パルス光300 fJ

CW光0 dBm

InPhenix社製
300 µm700 µm1000 µm

図 10. 光結合損失増大測定の実験構成図

図 12. 緩和時定数測定実験構成図

＠発熱補償温度制御方式

4

Relaxation time[ps]200300 µm
700 µm1000 µm

150

1005000102030Injection current density [kA/cm402]

図 13. 注入電流密度対緩和時定数

従来の温度制御では測定困難だった高密度電流注入時(図 13 赤丸)の緩和時定数を見積もることが出来るようになった。また注入電流増大及び活性層長延長により、緩和時定数は短縮された。

8結論光結合損失増大の無い温度制御方式として発熱補償温度制御方式を提案し、それを実証した。この温度制御方式を用いることで測定困難だった高密度電流注入領域まで測定を行うことが出来る。今回はその例として緩和時定数を測定し、注入電流増大及び活性層長延長により、緩和時定数が短縮される結果を得た。発熱補償温度制御方式はどの研究機関においても簡単に構成でき、汎用性が高いため、今後のSOAを用いた全光ゲート研究の発展に期待できる。
参考文献[1] Y. Liu et al, OSA/IEEE JLT, Vol. 25, pp. 103 (2007)[2] Zhi Wang et al, SPIE, Vol. 6838, 68380R-1 (2008)[3] 中原 康貴他, 電子情報通信学会, 講演番号 176(2011)
発表実績[1] 吉川恵太、中原康貴、竹内宏幸、上野芳康「半導体全光ゲートの高密度電流注入・高速化実験用に微小発熱体を利用する負帰還温度制御・導波路結合安定化方式の開発」2013年春季 第60回 応用物理学会連合講演会 (3/29 発表予定)

5

2013 年春季第 60 回応用物理学会学、29p-B3-6、2013/03/27~30
半導体全光ゲート半導体全光ゲートのゲートの高密度電流
高密度電流注入
電流注入・注入・高速化実験用に高速化実験用に微小発熱体を利用する利用する負帰還温度制御する負帰還温度制御・負帰還温度制御・導波路結合安定化方式の導波路結合安定化方式の開発

図 1. 温度制御方式の概念図(a) ペルチェ素子による温度制御方式(b) 発熱補償温度制御方式a)現在：NTT コミュニケーションズ株式会社b)現在：三菱重工株式会社

0-5Compensating heat method
Only peltier device method-10600-15-20400-25-30200-35-40-50

0501000150Time [min]図 2. 発熱補償温度制御方式の構成図

図 3. 温度制御方式の違いによる ASE 強度の時間変動比較

高密度電流注入時の高密度電流注入時の緩和時定数
前述の発熱補償温度制御方式を用い、緩和時定数を測定した(図 4)。cw 光波長 1540 nm、強度 0dBm、パルス光波長 1555 nm、1 つ当たりのパル
スエネルギー300 fJ を SOA に同時に入射し、相互利得変調(XGM)波形から緩和時定数を見積もった。chip 型 SOA は米国 InPhenix 社製、利得帯域1.5 µm 帯、活性層幅 2 µm、活性層長 300、700、2001000 µm の三種類を使300 µm用した。
700 µm
150
1000 µm
従来の温度制御では100測定困難だった高密度50電流注入時(図 4 赤丸)の00
1234緩和時定数を見積もる
2Injection current density [kA/cm ]ことが出来るように 図 4. 注入電流密度対緩和時定数なった。また注入電流増大及び活性層長延長により、緩和時定数は短縮された。
4. 結論
光結合損失増大の無い温度制御方式として発熱補償温度制御方式を提案し、それを実証した。
この温度制御方式を用いることで測定困難だった高密度電流注入領域まで測定を行うことが出来る。今回はその例として緩和時定数を測定し、注入電流増大及び活性層長延長により、緩和時定数が短縮される結果を得た。発熱補償温度制御方式はどの研究機関においても簡単に構成でき、汎用性が高いため、今後の SOA を用いた全光ゲー
ト研究の発展に期待できる。
参考文献
Relaxation time[ps]3.

[1] Y. Liu et al, OSA/IEEE JLT, Vol. 25, pp. 103 (2007)[2] Zhi Wang et al, SPIE, Vol. 6838, 68380R-1 (2008)[3] 中原 康貴他, 電子情報通信学会, 講演番号 176 (2011)

6800

Injection current of SOA [mA]

1. 序論
半導体光増幅器(SOA)を含む全光ゲートは、超高速動作、低消費電力、集積化が可能な点から超高速・大容量な光通信を実現する素子として期待されている [1]。SOA の周波数限界速度は一般的にキャリアの回復速度に制限され、その回復速度を速める効果として光加速効果がある。光加速効果はいくつかの手法があるが最も簡単で効果的な方法として注入電流量の増大が挙げられる[2]。しかし、注入電流量を増大するとともに SOA でのジュール熱も増大し、chip 型 SOA を支えるマウント-ステージ部の熱膨張につながる。この熱膨張により、chip 型 SOA と先球ファイバとの光結合がずれ、光結合損失増大を引き起こしていた。そこで新たに発熱体(チップ抵抗)を付加する温度制御方式を提案する[3]。今回、chip 型 SOA の台座の温度制御系を見直し、新たな温度制御方式を提案し、高密度電流注入によるゲート動作高速化についての成果を報告する。
2. 発熱補償温度制御方式
発熱補償温度制御方式の温度制御方式の原理
新たな温度制御方式として発熱補償温度制御方式を提案する。従来の一般的なペルチェ素子による温度制御方式と今回の発熱補償温度制御方式の概念を図 1 に示す。ペルチェ素子による温度制御方式ではペルチェ素子を温度調整器(以下温調)によって自動で制御し、温度を一定に保っている。しかし、ペルチェ素子からマウントへ排出される熱量は一定にはならない。発熱補償温度制御方式ではペルチェ素子で一定量の吸熱と排熱を行う。温調を発熱体につなぐことにより、発熱でchip 型 SOA の温度を制御する構成にした(図 2)。
chip 型 SOA の発熱量が変わった場合、自動的に発熱体の発熱量が変動するため chip 型 SOA の温度は一定に保たれる。この時マウント-ステージ部への排熱量は一定に保たれるため光結合損失増大が起きない(図 3)。
(a)(b)

ASE Intensity [dBm]Development of the negative-feedback-temperature-control and waveguide coupling stabilizing
system using minute heating element for ultra-high-speed all-optical-gate experiment by
high-density current injection
電通大先進理工 1, ○吉川 恵太 1, 中原 康貴 1a), 竹内 宏幸 1b), 上野 芳康 1
Univ. of Electro-Communications 1, ○Keita Yoshikawa 1, Yasutaka Nakahara1a)
Hiroyuki Takeuchi1b) and Yoshiyasu Ueno1
E-mail: yoshiyasu.ueno@uec.ac.jp