第 205 号・2024 年 7 月

住友電工テクニカルレビュー

情報通信

CPO 向け400 mW 級1.3 µm 帯高出力半導体レーザ

400 mW-Class 1.3 µm High-Power Semiconductor Laser for CPO Application＊青山康之祐Konosuke Aoyama

Daisuke Inoue

井上大輔

神杉秀昭

庄子

大生

Hideaki Kamisugi

藤原直樹

Naoki Fujiwara

Daisei Shoji

生成 AI や HPC の需要増加に伴ってデータセンタ内通信の高速化及び省電力化の重要性が高まり、Co-Packaged Optics（CPO）へ注目が集まっている。CPO の構成部品である External Laser Sources（ELSs）には数百 mW の高光出力と電力変換効率20％以上の低消費電力性が求められており、本稿では CPO 向けの ELSs である1.3 µm 帯高出力半導体レーザにワイドストライプ導波路の半導体光増幅器（SOA）を集積し、またそれぞれ素子を電気的に分離した素子構造を用いることで電力分配の最適化を可能とし素子
温度45℃にて400 mW を超える光出力と25％の電力変換効率を実現したことを報告する。

The growing demand for generative AI and high performance computing (HPC) has increased the importance of highspeed, energy-efficient communications in data centers, leading to an increased focus on co-packaged optics (CPO).
The external laser sources (ELSs), a component of CPO, require high optical output power of several hundred mW and
low power consumption with power conversion efficiency greater than 20%. This paper discusses the integration of a widestripe waveguide semiconductor optical amplifier (SOA) into a 1.3 µm high-power semiconductor laser for CPO. By using
an electrically isolated structure for each element, we have optimized the power distribution to achieve over 400 mW
output power and 25% power conversion efficiency at a temperature of 45°C.
キーワード：半導体レーザ、半導体光増幅器、光通信、高出力レーザ

1.

緒

言

入と電気的素子分離により領域毎に投入電力を最適化する

昨今の生成 AI や HPC の普及に伴い、データセンタ内通信ことで PCE の改善を行いステージ温度45℃において400に代表されるような1 km 以内の近距離光ファイバ通信のmW 以上の光出力を有しつつ、PCE 25％の高効率な半導需要が著しく増加している。近距離光ファイバ通信の需要体レーザ光源を実現したことを報告する。

増加に対して、通信システムの高速化と省電力化が特に重要視されており、打開策として電気集積回路と光の送受信2.

系を同一パッケージ内にコンパクトに収めた Co-PackagedOptics（CPO）技術の市場導入が推し進められている素子構造。

高出力のレーザ光を得るにあたってワイドストライプ導CPO 技術は光の送受信系と電気集積回路間の電気的な配波路は非常に有効な構造であるが、ワイドストライプ導波線を短縮でき通信の高速化と電力損失の削減を可能とす路構造のレーザ共振器はシングルモード発振が困難であ（3）る（2）、。一方で光の送受信系内で信号処理を行うシリコンり、光通信のような高コヒーレンスの求められる用途にはフォトニクスとレーザを組合せて使用する際に発生する光向かない。そこで図1に示すようにシングルモード伝搬条（1）（2）
、学損失を補填するために半導体レーザには100 mW 以上の高い光出力が求められつつ、システム全体の電力を抑えるために高光出力動作時においても半導体レーザ特有の低DFB-LD section

消費電力性として20％以上の高い電力変換効率（Powerconversion efficiency: PCE）を維持する必要がある（3）。
データセンタ内通信向け CPO の市場導入に伴い、External

HRLaser Sources（ELSs）となる1.3 µm 帯高出力レーザ光源の研究も盛んに行われており、長いレーザ共振器を用いた構(a)Top view
DFB-LD section

造やDFB-LD ※1とSOA ※2を集積した構造により100 mWを超える光出力を有するレーザ光源が報告されている（4）～（6）。

SOA section
Cross section view

そのような動向のなか、我々は更なる光出力増加と高効率化に注力し加工用 LD やファイバレーザ励起用 LD といった

AR

SOA section
Active layer

Grating layer

HR

Active region(b)Cross section view

AR

図1 素子構造の概略図(a) 平面図 (b) 導波路断面図

高出力 LD で使用されているワイドストライプ構造（7）の導CPO向け400 mW級1.3 µm帯高出力半導体レーザ

23（1）住友電工テクニカルレビュー

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件を満たす導波路幅に抑えた DFB-LD 部と DFB-LD 部で生てはそれぞれ28％ , 25％ , 21％となり高効率な発光特性で成したシングルモード光をワイドストライプ導波路で増幅あることが確認できた。

する SOA 部の集積構造によって素子を構成することで高出力とコヒーレンスの両立を図った。本素子の SOA 部の導波路幅は7.2 µm に設定し、素子の全長は2 mm となる。この SOA 部の広い導波路幅は光子密度を低下させることで600利得飽和を抑制するとともに電気抵抗値の低下による発熱導波路構造により結合させている。光出力が飽和しやすいPo [mW]できる。DFB-LD 部と SOA 部はそれぞれの活性層をテーパ

530500量の減少と放熱経路の拡大による熱抵抗値の改善により駆動時の活性層温度低下が図られ光出力を増加させることが

IDFB=250 mA

700400400300280200DFB-LD 部は種光源としてコヒーレント光を生成する目的であるため低電流で駆動し、その分 SOA の電流を増やすこ

100とで素子全体としては高い PCE とコヒーレンスを両立でき0る。SOA 部の端面は反射防止膜（AR）を施し、DFB-LD 部

0250500

端面は高反射膜（HR）を施している。本素子構造は出射側に SOA が配置されているため、出射端で反射が生じた場合

図27501000
ISOA [mA]

12501500

光出力の素子温度依存性には SOA 部を共振器としたレーザ発振が生じてしまう恐れがある。そのため SOA 部は AR 膜に加え出射端に対して角度を設けた斜め導波路構造を採用することで端面反射を抑IDFB=250 mA

40え（8）、SMSR ※3劣化を抑制している。

35303－1素子特性

PCE [%]

3.
発光特性

素子特性の評価にあたっては、AlN ヒートシンクに LD

28252520211510チップを実装した Chip-on-submount（CoS）形態で評価5を実施した。素子温度 T c は CoS を設置したステージ温度と0して定義する。図2に光出力の素子温度依存性を示す。P oは出射側端面からの光出力であり、I SOA 及び I DFB はそれぞれ0100200

図3

PCE の素子温度依存性

SOA 部と DFB-LD 部の注入電流を示す。このとき、しきい値電流が25℃にて約17 mA の DFB-LD 部に対し250 mA

300400PO [mW]

500600の I DFB を注入している。T c：25℃、45℃、60℃における最大光出力はそれぞれ600 mW、450 mW、320 mW が得られ、ワイドストライプ SOA 部による高出力化に成功したことが確認できた。実使用条件を想定し、それぞれ最3－2発振スペクトル

大光出力となる SOA 電流値の0.7倍を駆動電流とすると動CPO への応用において発振スペクトルにはシングルモー作光出力は T c：25℃、45℃、60℃においてそれぞれ530ド性と高い SMSR が求められる。特に SOA を集積した素子

mW（I SOA ＝1.05 A）、400 mW（I SOA ＝0.88 A）、280

構造においては DFB-LD の光出力強度が十分に強くない場mW（I SOA ＝0.78 A）が得られ CPO 用途の ELSs として十合に SOA 部で生じる ASE ※4ノイズや端面反射の影響によ分な光出力が得られた。

る SMSR 劣化が報告されており（9）、発振スペクトル評価に

素 子 分 離 さ れ た SOA 部 と DFB-LD 部 を 持 つ 本 素子のPCE は式（1）で与えられる。

よる光通信への応用可否の確認とSOA 部が共振動作をしているかの確認が必要となる。まず、SOA を集積していない....................................（1）DFB-LD 部単体の発光特性を確認する。図4に DFB-LD 部単体の素子構造における電流－光出力特性を示す。この時DFB-LD 部の出射端面は AR 膜を施している。3－1節と同

ここで、V SOA と V DFB はそれぞれ SOA 部と DFB-LD 部への印加電圧を示す。光出力に対する PCE の素子温度依存性を図3に示す。T c：25℃、45℃、60℃における最大 PCE はそれぞれ33％ , 28％ , 22％であり、また実使用条件におい様に DFB-LD の動作電流を250 mA とすると T c：25℃、45℃、60℃においてそれぞれ Po：124 mW、113 mW、90 mW の光出力が得られており、3－1節の実使用条件より SOA 集積構造における SOA 部利得は T c：25℃、45℃、CPO向け400 mW級1.3 µm帯高出力半導体レーザ

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長共振器レーザは空間ホールバーニングによる利得減少とPo [mW]

300それに伴うモードホップが生じやすいことが知られてい250る（11）。モードホップとは発振スペクトルが隣接する別波長200に跳んでしまうことであり、マルチモード発振を生じることもある。また同時に光出力にもキンクと呼ばれる不連続150124100113な変化が生じてしまうため光通信システム内で制御する際に問題となる。一方で本素子構造は主に SOA 部を用いて90高出力化を図っているため DFB-LD 部の光密度は相対的に500低く空間ホールバーニングが起こりにくい構造となってい0100200300400
IDFB [mA]500

図4DFB-LD 部単体の電流－光出力特性600る。モードホップの発生は注入電流の変化によりレーザ内部の電界強度が変化した際に生じるため、広い範囲の電流掃引により発振周波数の連続的な変化を見ることで確認できる。図6に T c：45℃にて I DFB を52.5～350 mA、I SOA を0～1500 mA まで掃引した時の発振スペクトルピークの変化を示す。それぞれの電流を掃引した際の発振スペクトルはいずれも等間隔の変動に終止しており、不連続な変化が

IDFB=250 mA, ISOA=800 mA

見られないことからモードホップが生じておらず、安定な発振スペクトルが得られていることが確認できる。

-10-20-30-401327-60-70-801320

図51325
Wavelength [nm]1330

Wavelength [nm]-50

IDFB 52.5 ~ 350 mA
17.5 mA step

Norm. intensity [dB]01326.513261325.5

発振スペクトルの素子温度依存性

132560℃においてそれぞれ6.3 dB、5.5 dB、4.9 dB と低い増0図65001000
ISOA [mA]

1500

発振スペクトル遷移の I SOA・I DFB 電流依存性幅率を示しており、一般的に SOA の小信号利得は20 dB以上ある事と飽和光出力が10 mW 程度となる事を考慮す
ると SOA 部が利得飽和状態で駆動していることが判断できる（8）。利得飽和状態であるため、SOA 部に注入されたほ3－3

相対強度雑音（RIN）

とんどのキャリアは誘導放出により消費され ASE 光の発生

光通信への応用にあたり重要となるパラメータとして発が抑制された動作条件となる。実際に測定した I SOA ＝800

振スペクトルに加え RIN ※5の確認も必要となる。T c：45℃

mA における発振スペクトルの素子温度依存性を図5に示す。いずれの測定条件においてもシングルモード発振していることが確認でき、素子設計のコンセプト通り DFB-LDにおける RIN の I SOA・I DFB 電流依存性を図7に示す。RIN は

主に I DFB に対して依存性を有しており、I DFB の増加に伴って平均 RIN が減少する。I SOA 増加による特性変化の傾向はの0次モードのレーザ光のみが SOA 部で増幅していること見られず、約200 mA 以上の I DFB で動作させることで -155が確認できる。また、安定して45 dB 以上の SMSR が得らdB/Hz 以下の低い RIN が得られることが確認できる。

れており、外部共振器モード（10）と呼ばれるスペクトルピークも生じていないため SOA 部の ASE や SOA 端面の反射の影響を受けていないことも確認でき、光通信への応用にあたり十分なコヒーレンスが得られている。
また、CPO 向けの ELSs としては発振スペクトルへの要求として発振モード安定性も要求される。高出力レーザやCPO向け400 mW級1.3 µm帯高出力半導体レーザ

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双峰形状のビームプロファイルになる現象が発生する可能性があり注意が必要である（12）。図8に測定した FFP を示す。水平垂直方向ともにガウシアン形状に近似できる FFPが得られ、水平と垂直それぞれの FWHM は12.7°、23.2°れるビーム形状が確認された。
-155 dB/Hz-150 dB/Hz-145 dB/Hzとなっており想定通りのシングルモード伝搬条件から得ら4.

結言

今回、我々はCPOへの応用に向けた高出力 LDとしてワイドストライプ SOA 集積 DFB-LD 構造により45℃動作において400 mW を超える光出力と25％という高効率な PCE

図7を有する1.3 µm 帯半導体レーザを開発した。この高出力

RIN の I DFB, I SOA 依存性

LD は発振スペクトルの高い安定性を有しつつ、45 dB 以上の SMSR と -155 dB/Hz 以下の低い RIN という良好な特性が得られており CPO 分野への応用に適していることが示さ
3－4

遠視野像（FFP）

れた。

ワイドストライプ導波路を使用した場合の懸念点としてFFP ※6形状への影響が考えられる。ワイドストライプ導波路を用いた高出力 LD ではマルチモード発振によるビーム形状の異常（7）や導波路内の光密度集中によってフィラメン

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

テーションと呼ばれる導波路断面方向の空間ホールバーニ※1

ングが発生し導波路の中央部のキャリアが枯渇することでDistributed feedback laser diode：レーザ共振器内に分DFB-LD

布型回折格子を設けることによるブラッグ反射により発振波長選択を可能とする半導体レーザ。
(a)※2

Intensity [a.u.]

Measured

SOA

Semiconductor optical amplifier：利得媒質で構成された半導体導波路であり、電流注入により電子の反転分布状

Gaussian fit.

態下で光入力を行うことで誘導放出による光増幅を可能とFWHM:12.7°する半導体光増幅器。
※3SMSR

Side-mode suppression ratio：主要発振スペクトルピー-50 -40 -30 -20 -10(b)01020304050Angle [°]※4ASE

Amped spontaneous emission：自然放出光を増幅した

Measured

インコヒーレントな光。

Gaussian fit.

Intensity [a.u.]

クと側帯スペクトルピークの強度比。

※5FWHM:23.2°

RIN

Relative intensity noise：搬送波の光パワーに対する単位周波数あたりの光パワー強度雑音の強度比。
※6-50 -40 -30 -20 -10 0 10Angle [°]20304050FFP

Far-field pattern：レーザ端面から出射された光パワーの角度に対する強度分布。

図8 FFP 測定結果(a) 水平方向 (b) 垂直方向
CPO向け400 mW級1.3 µm帯高出力半導体レーザ26（4）住友電工テクニカルレビュー

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参 考 文 献執 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（1）	J. E. Johnson et al.,“Performance and Reliability of Advanced
CW Lasers for Silicon Photonics Applications,”OFC, San
Diego, CA, USA, 2022, pp. 1-27
（2）	R. Mahajan et al.,“Co-Packaged Photonics For High Performance
Computing: Status, Challenges And Opportunities,”J. Light.
Technol., 40(2), pp. 379-392（2022）（3）	B. J. Lee et al.,“Beyond CPO:A Motivation and Approach for
Bringing Optics Onto the Silicon Interposer,”J. Light. Technol.,41(4), 1152- 1162（2023）（4）	W. Zhou et al.,“High power CW laser for co-packaged optics,”
CLEO, paper SS2D.3（2022）（5）	H. Grant et al.,“High-power, high-temperature O-band DFBs
and SOAs for integrated photonic applications,”Proc. of SPIE,PC12004（2022）（6）	S. Yokokawa et al.,“Over 100 mW Uncooled Operation ofSOA-integrated 1.3−µm Highly Reliable CW-DFB Laser,”OFC,
San Diego, CA, USA, 2022, pp. 1-3（7）	Y. Yamagata et al.,“915nm high power broad area laser diodes
with ultra-small optical confinement based on AsymmetricDecoupled Confinement Heterostructure（ADCH）”SPIE, 9348,119-128（2015）（8）	Dutta N.K. and Wang Q., Semiconductor Optical Amplifiers,
Singapore: World Scientific; 2006（9）	A. Champagne et al.,“Degradation of side-mode suppression
ratio in a DFB laser integrated with a semiconductor opticalamplifier,”J. Quantum Electron., 40(7), 871-877（2004）（10）	O htsubo J., Semiconductor laser: Stability, Instability andChaos, New York: Springer Verlag; 2008（11）	M. R. Alalusi and R. B. Darling,“Effects of nonlinear gain on
mode-hopping in semiconductor laser diodes,”J. QuantumElectron., 31(7), 1181-1192（1995）（12）	I. FISCHER et al.,“Complex spatio-temporal dynamics in thenear-field of a broad-area semiconductor laser.”Europhysics
Let., 35 (8), 579（1996）

青 山 康 之 祐＊ ：住友電工デバイスイノベーション㈱主査
博士（工学）

井上

大 輔 ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

主査

藤原直 樹 ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

グループ長

神杉秀 昭 ：住友電工デバイスイノベーション㈱部長庄子

大 生 ：住友電工デバイスイノベーション㈱部長
博士（工学）

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

CPO向け400 mW級1.3 µm帯高出力半導体レーザ27（5）