情報通信

広温度範囲動作 1 0 G b i t / s 直接変調レーザの開発
甲斐田憲

明 ・竹＊内岡田

亘正・秋山大西裕・山崎生

駒之・藤井暢辰也・長谷川太郎

幹・千船外史靖夫・上坂勝

己卓也

Development of Semiconductor Lasers Capable of 10-Gbit/s Direct Modulation at Wide Temperature Ranges ─ byNoriaki Kaida, Tatsuya Takeuchi, Taro Hasegawa, Nobumasa Okada, Kan Akiyama, Gaishi Chifune, Yutaka Onishi,
Yasuo Yamasaki, Katsumi Uesaka, Nobuyuki Ikoma and Takuya Fujii ─ With the current increase in informationtraffic, even higher speed and density transmission is required for access network equipment. To meet this demand,
optical transceivers capable of operating in high-temperature environments and saving energy are indispensable.
Thus far, development has been focused on 10-Gbit/s semiconductor lasers that cover a wide temperature range.
Since the standardization of 100 Gigabit Ethernet in June 2010, directly modulated 25-Gbit/s lasers have beendeveloped to reduce the production cost of this system. This paper reports on the development of a 1.3-µm
wavelength distributed feedback (DFB) laser, which is designed to have a wide temperature operating range and ahigh processing speed. The authors also describe test results of 10-Gbit/s modulation conducted in a temperature
range of -40˚C to 85˚C and of 25-Gbit/s modulation below 75˚C.
Keywords: 10Gbit/s, 100Gbit/s, AlGaInAs, buried hetero-structure, DFB laser

1.

緒

言

近年の情報通信トラフィックの増大に伴い、データセンと緩和振動周波数はトレードオフの関係にあるため、活性ターなどアクセスネットワークの高速化と高密度化が急速層構造の最適化により特性のバランスを取ることとした。に進んでいる。この様な要求に応えるには、高い温度環境以上の指針に基いて開発した n-InP 基板上の直接変調レー下でも低消費電力で動作する光送受信機が不可欠であり、ザの詳細について、図 1 の構造模式図を用いて説明する。

キーデバイスである広い温度範囲で動作する直接変調型
10Gbit/s レーザチップの開発に各社凌ぎを削ってきた。また、次世代ネットワークの規格として 25Gbit/s のレーザを 4 波長多重して実現する 100 ギガビットイーサネット※1

AR膜（出射端面）

HR膜（100GbE）が標準化され（1）、このシステムの実現に向け高い温度まで 25Gbit/s で動作する直接変調レーザ ※ 2 の開発も盛んに行われている（2）〜（6）。
今回我々は、-40 ～ 85 ℃という広い温度範囲で動作する回折格子

1.3µm 帯分布帰還型単一モード発振レーザを開発し、全温共振器長200µm度範囲において 10Gbit/s での動作を実現した。さらに、より高速な 25Gbit/s の動作速度においても良好な波形を得られることを確認した。

2.

素子構造活性層

図1

直接変調レーザ断面の模式図

高い緩和振動周波数を得るために共振器長は 200µm とし高温高速で動作する直接変調レーザでは、温度特性の良た。前方出射端面には低反射率（AR）膜、後方出射端面にい光出力特性、広い CR 帯域、高い緩和振動周波数が必要は高反射率（HR）膜を形成した。分布帰還型レーザ（以降である。良好な光出力特性と広い帯域を実現するために、DFB レーザ）を実現するための回折格子は活性層の下部に電流狭窄構造には埋め込み型を採用した。また光出力特性設け、分布帰還の強さを表すκL 積の値は 1.2 とした。

2 0 1 2 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 0 号 −（ 79 ）−活性層には AlGaInAs 系の材料からなる量子井戸を用いた。この材料は量子井戸への電子の閉じ込めが強く、振器長と活性層の設計を最適化したことで広い温度範囲において高い値を実現できていることが分かる。

2.5Gbit/s 以下の従来のレーザで一般によく用いられるInGaAsP 系の材料に比べて高温高速動作させやすいという10高い光閉じ込めを実現した。また高い緩和振動周波数の値

5信号強度（dB）特長を持つ。量子井戸の厚さは 5nm、周期数は 10 とし、を実現するために量子井戸層の歪み量は 1.3 ％（圧縮）と大きく設計した。このような構造でも高い信頼性を実現するために、伸張歪みバリア層を用いた歪み補償量子井戸構造を採用した。

12mA
18mA

030mA

-5-10-153.

8mA6mA

DC 特性

05101520周波数（GHz）

図 2 に、開発した DFB レーザの-40/25/85/95 ℃での電流

図3―光出力特性を示した。高い温度においても光出力特性が良

周波数応答とその電流依存性好であることが確認できる。閾値電流（Ith）の典型値は-40/25/85/95 ℃の各温度でそれぞれ 2.4/4.7/15.7/20.0mA20

緩和振動周波数（GHz）

であり、微分発光効率の典型値は 0.76/0.65/0.44/0.38W/Aである。高温での線形性の低下は僅かであり、95 ℃まで20mW を超える光出力が得られている。

光出力（mW）

20-40℃

1525℃

1510085℃-40˚C25˚C
85˚C

502460.580.5（注入電流−閾値電流） （mA ）

100

図495℃

5020406080

100

注入電流（mA）

図2

電流－緩和振動周波数特性

5.

10Gbit/s における光波形
図 5 に、開発した DFB レーザを 10Gbit/s で動作させた

電流－光出力特性時の光波形を示した。-40 ～ 85 ℃の温度範囲において良好なアイ開口を実現できていることが確認できる。

4.

AC 特性
図 3 に 25 ℃での光信号出力の周波数応答とその注入電流依存性を示した。注入電流の増加により 3dB 帯域が広がっ

評価のビットレートは 10Gbit/s の通信システムの基本レートとして使用されている 9.95Gbit/s、NRZ（nonreturn to zero）、31 段の擬似ランダム信号を用い、消光比は 7dB とした。いずれもベッセルトムソンフィルタ透過ていき、30mA 以上の注入電流で 20GHz を超える広い帯後の波形である。図中に動作温度とその温度での動作電流域が得られている。前節で述べた良好な光出力特性と非常を記載した。動作電流は実際の動作環境を模擬し、すべてに広い CR 帯域を両立できているのは、埋め込み構造の採の温度で光出力が一定となるよう設定した。

用によるものである。
図 4 に-40/25/85 ℃の各温度における注入電流と緩和振動周波数の関係を示した。緩和振動周波数の値は図 3 に示した周波数応答のデータをフィッティングすることで求めた。図 4 に見るように緩和振動周波数は注入電流から閾値

6.

25Gbit/s における光波形
次期アプリケーションである 100Gbit/s 通信システムで用いる 25Gbit/s の光源としての動作についても検証を電流を引いた値の 0.5 乗に比例し、その直線の傾きから得行った。100Gbit/s のシステムは 4 種類の波長のレーザをられる D ファクタ（緩和振動周波数の電流依存性）の値は多重することで実現されることから、波長のみ異なる 4 種-40/25/85 ℃において 2.8/3.6/2.6GHz/mA0.5 であり、共類の DFB レーザ（1271/1291/1311/1331nm）を作製し、−（ 80 ）− 広温度範囲動作 10Gbit/s 直接変調レーザの開発

(a) 85˚C 51mA(b) 25˚C 28mA(c) -40˚C 23mA

図5(a) 1271nm 25˚C 37mA(b) 1271nm 75˚C 60mA(c) 1291nm 25˚C 38mA(d) 1291nm 75˚C 60mA(e) 1311nm 25˚C 38mA(f) 1311nm 75˚C 60mA(g) 1331nm 25˚C 34mA(h) 1331nm 75˚C 60mA

10Gbit/s 動作時の光波形

25Gbit/s での光波形評価を行った（図 6）。

評価のビットレートは 100GbE の基本レートとして規定された 25.78Gbit/s とし、NRZ、31 段の擬似ランダム信号を用い、消光比は 5dB とした。ベッセルトムソンフィル
タは使用していない。75 ℃での動作電流を 60mA とし、25 ℃では 75 ℃と同等の光出力が得られるよう動作電流を設定した。各波長いずれの温度においても良好な波形が得られている。
この結果から我々の開発した DFB レーザは、1294.53 ～1310.19nm の波長範囲のレーザの温度を一定に制御して使用する LAN-WDM（Local Area Network - Wavelength

図6Division Multiplexing）による 100GbE システムの光源とし25Gbit/s 動作時の光波形て十分な性能を有しており、また 1271/1291/1311/1331nmの 4 波 長 の レ ー ザ を 温 度 制 御 な し で 用 い る CWDM

1.5ても有望であると言える。

7.

5000h の通電データ
図 7 に開発した DFB レーザの光出力一定（APC）条件による長期通電試験の結果を示した。

5000 時間まで無故障であることを確認した。メジアン動作電流の相対値（Coarse-WDM）による 100Gbit/s 通信システムの光源とし

n=1795˚C10mW APC

1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
0.9
0

2000

3000

4000

5000

通電時間（hour）

寿命は 0.75 × 105 時間である。この結果から推定した実動作条件（55 ℃、13mW）下でのメジアン寿命は 7.61 × 1051000

図7光出力一定条件による通電試験結果

時間と極めて長く、高い信頼性が実現できていることを確認した。
る広い帯域の両立に成功した。緩和振動周波数の電流依存

8.

結言性を示す D ファクタは-40 ～ 85 ℃において 2.6GHz/mA0.5を超え、10Gbit/s 動作において良好な光波形を実現した。

広温度範囲動作 10Gbit/s 直接変調レーザを開発した。

さらなる高速動作の可能性検証を目的に同じ設計で発振埋め込み型を採用したことで、95 ℃まで 20mW を超える波長のみ異なる 4 種類の直接変調レーザを作製し、全ての高い光出力を維持できる良好な温度特性と 20GHz を超え波長において 25Gbit/s の動作速度で、75 ℃まで良好な光

2 0 1 2 年 1 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 0 号 −（ 81 ）−波形を得ることが出来た。この結果から、今回開発した直接変調レーザは温調・無温調を問わず 100Gbit/s 通信シス
テムの光源としても有望であると考える。

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※1

100 ギガビットイーサネット

IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）
により標準化された次世代高速通信の規格。現在の主流である 10 ギガビットイーサネットと比べて 10 倍の通信速度を実現する。
※2

直接変調レーザ

注入する電流量により光出力が変化する機能を利用し、電気信号を光信号に変換する半導体レーザ素子。

参考

文

献

（1） IEEE P802.3 ba 40Gb/s and 100Gb/s Ethernet Task Force,
http://www.ieee802.org/3/ba（2） T.Tadokoro, T.Yamanaka, F.Kano, H.Ohashi, Y.Kondo and K.Kishi,“Operation of a 25‑Gbps Direct Modulation Ridge Waveguide
MQW‑DFB Laser up to 85 ℃,”Proc. OFC'09, OThT3, San Diego,USA（March 2009）（3） K. Otsubo, M. Matsuda, S.Okumura, A.Uetake, M.Ekawa andT.Yamamoto,“Low‑Driving‑Current High‑Speed Direct Modulation
up to 40Gb/s Using 1.3‑µm Semi‑Insulating Buried‑Heterostructure
AlGaInAs‑MQW Distributed Reflector（DR）Lasers,”Proc. OFC'09,OThT6, San Diego, USA（March 2009）（4） T.Fukamachi, T.Shiota, K.Kitatani, T.Ban, Y.Matsuoka, R.Mita,T.Sugawara, S.Tanaka, K.Shinoda, K.Adachi and M.Aoki,“95 ℃
Uncooled and High Power 25‑Gbps Direct Modulation ofInGaAlAs Ridge Waveguide DFB Laser,”Proc. ECOC'09, 8.1.5,
Vienna, Austria（September 2009）（5） 外間洋平、境野剛、柳楽崇、山口晴央、鈴木正人、石村栄太郎、杉立厚志、紫村輝之、「Ru ドープ InP 埋め込み構造 AlGaInAs25.8Gbps
直接変調 DFB レーザ」、2011 電子情報通信学会ソサイエティ大会、エレクトロニクス講演論文集 1、C‑4‑18、pp.233（Sept. 2011）（6） 足立光一朗、篠田和典、北谷健、川村大地、菅原俊樹、辻伸二、「1.3µm 帯 4 波長面出射 DFB レーザアレイの高温 25Gbit/s 動作」、
2011 電子情報通信学会ソサイエティ大会、エレクトロニクス講演
論文集 1、C‑4‑19、pp.234（Sept. 2011）−（ 82 ）− 広温度範囲動作 10Gbit/s 直接変調レーザの開発

執筆者 ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑甲 斐 田 憲 明＊：住友電工デバイスイノベーション㈱高速通信用半導体レーザの開発に従事

竹内辰 也 ：住友電工デバイスイノベーション㈱長 谷 川 太 郎 ：住友電工デバイスイノベーション㈱
岡田
秋山
千船

亘 正 ：住友電工デバイスイノベーション㈱幹 ：住友電工デバイスイノベーション㈱ 課長
外 史 ：伝送デバイス研究所

大西裕 ：伝送デバイス研究所

山崎靖 夫 ：伝送デバイス研究所

工学博士

上坂勝 己 ：伝送デバイス研究所

グループ長

生駒

暢 之 ：伝送デバイス研究所

グループ長

藤井卓 也 ：住友電工デバイスイノベーション㈱ 部長‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑＊主執筆者