情報通信

データセンタ向け次世代（400 Gbit/s）
光通信用 VCSEL アレイ

High-Speed Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Arrays for 400 Gbit/s Data
Center Interconnects
＊青木健志

久保田

柳沢昌輝

石塚

Takeshi Aoki

Masaki Yanagisawa

良輔

Ryosuke Kubota

貴司

Takashi Ishizuka

吉本晋

小路元

Susumu Yoshimoto

Hajime Shoji

世界的な IP トラフィックの急増に対応すべく、データセンタでは伝送速度400 Gbit/s の短距離光通信の導入が始まっており、そこでは多値変調方式 PAM-4に対応した VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）アレイ製品が求められている。筆者らはPAM-4用 VCSEL を850 nm/900 nm の2波長のラインナップで開発した。本稿では変調帯域向上とノイズ低減に着目したデバイス設計の最適化、開発した PAM-4用 VCSEL の特性、およびアレイ製品に高く求められる特性均一性の改善について報告する。

This paper reviews the device design and performance of high-speed VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) arraysfor the next-generation short-reach 400 Gbit/s applications in data centers using a PAM-4 (4-level pulse amplitudemodulation) format. The both 850-nm and 900-nm PAM-4 VCSELs have been optimized to improve dynamic performanceand suppress noises for PAM-4 transmission. The new VCSELs exhibit good uniformity of characteristics, which is highly
required for array products.
キーワード：VCSEL、PAM-4、データセンタ、400 Gbit/s、850 nm/900 nm

1.

緒

言

第5世代移動通信システムの実用化と、AI（人工知能）、

2.

デバイス設計2－1

PAM-4用 VCSEL の要求性能

VR/AR（仮想／拡張現実）、IoT（Internet of Things）技

PAM-4は、4段階の光強度レベルを用いて信号を伝送する術等の市場拡大を見据え、ネットワークの高速化へのニー多値変調方式である。そのため、オン／オフのみ2段階の光ズはますます高まっており、データセンタ内の通信インフ強度レベルを用いる従来の変調方式 NRZ（Non-Return-to-ラである光イーサネットでは、伝送速度100 Gbit/s からZero）と比較して信号が複雑化しており、VCSEL の動特性

400 Gbit/s への移行が加速している。短距離通信においてが光トランシーバにおける符号誤り率に与える影響は従来は、近年、400 Gbit/s 光通信規格の標準化が進められてお以上に大きい。具体的には、符号間干渉を抑えるために、り（1）、そこでは、多値変調方式 PAM-4※1に対応した VCSEL

従来よりも広い変調帯域と、周波数変化に対してフラット（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が求められていな周波数応答が求められるとともに、S/N 比や相対強度雑る。PAM-4は従来の2倍の情報を伝送できる変調方式であ音（Relative Intensity Noise, 以下 RIN）※2 の低減が必要

り、変調速度25 Gbaud の PAM-4に対応した VCSEL によりである（4）。さらに、実用距離の光ファイバにおけるモード50 Gbit/s の伝送を実現する。400 Gbit/s 光トランシーバ

分配ノイズを抑えるため、スペクトル幅の狭窄化も求めらでは、この50 Gbit/s PAM-4 VCSEL を複数集積する方式がれる（5）。

主流となる見込みであり、規格の一つである400G-SR8（2）

これらの要求性能に応えるべく、当社28 Gbit/s NRZ 用

では850 nm 帯の1×8素子 VCSEL アレイ、別規格の400G-（以下、28G VCSEL）をベースに、PAM-4用 VCSELVCSEL（8）（3）では850 nm 帯と900BD4.2（2波長双方向通信、BiDi）nm 帯の1×4素子 VCSEL アレイが2波長1セットで求められている。

（以下、PAM-4 VCSEL）のデバイス設計を行った。
2－2

デバイス構造図1に当社酸化狭窄型 VCSEL の概略構造を示す。2波長

このような市場要求を踏まえ、筆者らは PAM-4用 VCSEL（850 nm/900 nm）とも同様である。エピタキシャル層構を850 nm/900 nm の2波長のラインナップで開発した。本造は、GaAs 基板上に有機金属気相成長法（MOCVD 法）に稿では、PAM-4用のデバイス設計とその特性、および400より成長した。活性層には、歪み InGaAs/AlGaAs 材料系かGbit/s 向けアレイ製品に高く求められる特性均一性についらなる多重量子井戸（MQW: Multiple Quantum Well）て報告する。

を用いた。この活性層の上下を、p 型および n 型の AlGaAs多層膜反射鏡（DBR: Distributed Bragg Reflector）で挟

2020 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 196 号

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み、基板と垂直方向に共振器（Cavity）を構成した。共振Longitudinal
optical field

器長は、縦方向の光閉じ込めとキャリア輸送距離の観点から、発振波長の2分の1の光路長となるように設計した。上部
p-DBR 層の活性層近傍には他よりも高い Al 組成の AlGaAs

p-DBR層を1層配置し、メサエッチング後に水蒸気酸化プロセス

Cavityによってこの層を選択的に酸化することで、電流狭窄と横MQW方向の光閉じ込めのための酸化アパーチャを形成した。まL eff

n-DBR

た、表面保護や出射面の反射率調整のために、誘電体膜を成膜した。

GaAs sub.

図2

エピタキシャル層構造と光強度分布(a)長（L eff）は約1 µm の範囲に広がっている。この際、MQWと光強度分布の重なり積分のみが、キャリアと光の相互作

0.25 mm(c)

Passivation layer

ApertureCavity
n-DBR

計では、上下の DBR と共振器の反射位相を厳密に整合させ、定在波の共振効果を最適化することで縦方向の光閉じ込め強化を図った。図3は、デバイスシミュレーションの

n-electrode

過渡応答解析により求めた小信号周波数応答である。光閉

GaAs sub.
Mesa

Aperture

図12－3

おいては、L eff をできるだけ短くして光を MQW に集める、すなわち光閉じ込めを強めることが肝要である。今回の設p-electrodeOxidized layer
MQWSpacer

p-DBR用に寄与する。そのため、エピタキシャル層構造の設計にVCSEL の（a）外観写真（1×4アレイ）、（b）断面構造、（c）酸化アパーチャの外観像

高速化設計

VCSEL の変調帯域は、キャリアと光子間の共振相互作用・固有減衰、電気的寄生成分などによって制限されるが、広帯域化のためには緩和振動周波数（fr ）※3の向上が特に重要である。fr はバイアス電流密度（ J ）、しきい値電流密度（ Jth ）、および D 係数により次式で表される（6）。

じ込めの強化によって、従来設計から2 GHz 程度の広帯域化（3dB 帯域）を期待できることから、PAM-4 VCSEL では このエピタキシャル層構造設計を採用した。

E/O Response (dB)(b)

6Calc.
25°C, Ibias=8mA

30-3-6850nm 28G VCSEL design
850nm PAM-4 VCSEL design

-9-12

2

6..........................................................（1）図310141822Frequency (GHz)26

周波数応答のシミュレーション

電流密度の増大により fr が向上するが、電流密度の増大は素子の短寿命化を招く。また、VCSEL は端面発光型レーザに比べて熱抵抗が高いため、高電流密度で fr は熱飽和する。よって、比較的低い電流密度で高い fr を得ることが望

高品質の伝送波形を得るには、変調帯域を広げるだけでましく、そのためには D 係数を高めることが重要である。

なく、周波数応答の適切な減衰（ダンピング）も重要であ

D 係数には共振器の光閉じ込めの強さと微分利得が強く影る（7）。図4の計算結果に示すように、ダンピングが弱い場響するが、今回は前者に着目した。

合には周波数応答における緩和振動の共振ピークが高くな

図2は、VCSEL の垂直方向のエピタキシャル層構造と、る。これは光出力波形におけるオーバーシュートや時間軸対応する縦モードの光強度分布の模式図である。光電界は方向での揺らぎ（ジッタ）を引き起こすため、好ましくな上下の DBR 層内にある程度侵入するため、実効的な共振器い。一方で、過剰なダンピングは帯域を狭める。このダン68

データセンタ向け次世代（400 Gbit/s）光通信用VCSELアレイ

ピングは fr 2 に比例して強まる一方で、共振器の光子寿命にも左右される 。よって、広帯域かつフラットな周波数(a) Symmetric(b) Asymmetric（6）応答を得るには、fr 増大によって強まるダンピングを光子寿命によって緩和し、バランスを取ることが重要である。

Oxidationaperture

PAM-4 VCSEL では、DBR 層のエピタキシャル成長および誘電体膜の成膜において、膜厚制御の高精度化を図り、出Mesa

射面の反射率を厳密に調整することによって、光子寿命を最適化した。なお、反射率は光出力やしきい値利得にも影E/O Response (dB)響するため、各特性間のトレードオフは十分に考慮した。

630-3-6-9-12-15-18

Calc.

Calc.

LP01LP11LP11LP01LP11LP11LP21LP21LP02LP21LP21LP02

図5Increasedamping

回転対称／非対称アパーチャの横モード

Ibias=8mA
46

Ibias=8mA0

図41020Frequency (GHz)

(a)

30(b)

65 432532

ダンピングの強さと共振ピークの関係

112－4横モード制御

図6

回転対称／非対称アパーチャの発振スペクトル

VCSEL の酸化アパーチャは、酸化膜の屈折率が半導体より低いことから光ファイバのコア／クラッドのように機能し、VCSEL の横モードを決定する。当社の VCSEL にはそのような横モードが複数存在し、マルチモードで発振す減に寄与すると考えられる。PAM-4 VCSEL ではノイズのる。マルチモード発振においては、各横モードの空間的な低減を目的に、このような回転非対称のアパーチャ形状を分布、波長間隔、および強度比が、発振スペクトルやノイ採用した。

ズ発生に関係するため重要である。そこで、この横モー（9）ドを制御するため、アパーチャ形状の最適化を図った（10）。
図5は、回転対称、および非対称のアパーチャの観察像

3.と、それぞれに対応した横モードごとの光強度分布（計算）3－1である。また図6は、それぞれの素子で実測した発振スペクトルである。（a）の回転対称アパーチャ（円型）の発振

デバイス特性DC 特性

図 7 は、発 振 波 長 850 nm/900 nm の PAM-4 VCSEL

1×4素子アレイの光出力特性（I-L ）である。4素子（ch1～スペクトルにおいて注目すべき点は、ほぼ同一の波長で複数の横モードが存在していることである（図6（a）ピーク

長の近い複数の横モードはお互いに相互作用し、モード間遷移を繰り返しながら発振するため、光出力の空間的ゆらぎとなりノイズ発生の一因となる。一方、対称性を崩したアパーチャ（図5（b））の発振スペクトルでは、これらのスペクトルが均等に分散されている（図6（b））。この場合、横モードの競合が抑えられ、ノイズの低減を期待できる。
さらに、アパーチャの回転対称性を崩すことで偏波面が安定化する効果も報告されており（11）、この効果もノイズの低6Output power (mW)数の横モードが、エネルギー的に競合している。これら波850 nm VCSEL 1x4 arraych1ch2ch3ch442025°C

90°C
02468
Bias current (mA)

図7900 nm VCSEL 1x4 array

6Output power (mW)4, 5, 6）。すなわち、空間的に異なる光強度分布をもつ複10ch1ch2ch3ch442025°C

90°C
02468
Bias current (mA)

10

光出力 vs. バイアス電流特性2020 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 196 号

69ch4）の特性はよく一致している。90℃においても各素子れている。光子寿命の制御によりダンピングを適切に調整のしきい値電流（ I th ）は0.9 mA 以下、スロープ効率（SE）

できた結果といえる。

は0.4 W/A 以上、光出力はバイアス電流8 mA で2 mW 以

図9は、850 nm/900 nm PAM-4 VCSEL の、バイアス電上が得られた。また、自己発熱による光出力低下はバイア流8 mA における PAM-4光出力波形である。高周波プロー

ス電流10 mA においても顕在化しておらず、優れた温度特ブと任意波形発生器（AWG）を用いて25.5625 Gbaud の性を有するといえる。

PAM-4信号（51.125 Gbit/s）を入力し、VCSEL の光出力

850 nm VCSEL のバイアス電流8 mA におけるスペクをオシロスコープに取り込むことで波形を観測した。

トル幅は、25℃で0.35 nm、90℃で0.24 nm、900 nm
VCSEL では25℃で0.55 nm、90℃で0.39 nm であった。
これは IEEE P802.3cm の提案する規格（850 nm で0.6（5）を満たしている。
nm、900 nm で0.65 nm 以下）

RIN については、一定バイアス（8 mA）を印加した状態で、DCA（digital communication analyzer）により850nm VCSEL(a)

900nm VCSEL

(c)
25°C

25°C

出射光の平均強度と標準偏差を測定し算出した。850 nm
VCSEL では -142.2 dB/Hz、900 nm VCSEL では -142.8
dB/Hz であった。これは Tatum ら（12）のガイドライン（-138dB/Hz 以下）をクリアしており、PAM-4向けの水準に達している。従来の28G VCSEL からは4 dB/Hz ほど低減でき

TDECQ = 1.32dB

TDECQ = 1.38dB

(b)

(d)

90°C90°Cており、回転非対称アパーチャの導入による横モードと偏波面の安定化の効果といえる。
3－2

AC 特性

TDECQ = 2.61dB

図8は、PAM-4 VCSEL の典型的な小信号周波数応答である。850 nm/900 nm ともに、3dB 帯域は室温で18.5

図9TDECQ = 2.92dB

PAM-4光出力波形（アイパターン）

GHz 以上に達し、90℃においても17 GHz を上回った。
28G VCSEL とくらべて2 GHz 以上の広帯域化を実現できており、これは先述のエピタキシャル層構造のチューニングによる fr 増大の効果である。さらに、周波数応答におけPAM-4波形の4つの強度レベルにおいてオーバーシュートる共振ピークは、90℃においても3 dB 以下にまで抑制さやジッタがそれぞれ抑制され、良好なアイ開口が得られた。
PAM-4波形の品質指標である TDECQ ※4は、高温（90℃）

E/O Response (dB)

E/O Response (dB)においても3 dB 以下であり、IEEE P802.3cm 規格の要求
630-3-6-9-12-15630-3-6-9-12-15Tc=25°C, Ibias = 8mA

17 GHz 以上の広い帯域、フラットな周波数応答、および低い RIN により達成されたものである。このようにして、
当社 VCSEL が2波長とも、PAM-4変調による50 Gbit/s 以上の伝送に対応することを確認した。

25°C 850nm 28G VCSEL
25°C 850nm PAM-4 VCSEL
25°C 900nm PAM-4 VCSEL

05101520Frequency (GHz)

Tc=90°C, Ibias = 8mA

3－3

特性均一性

400 Gbit/s 用途の1×4または1×8 VCSEL アレイ製品
25(b)は、同一ウエハ内の、隣接した複数の VCSEL 素子により構成される。そのため、アレイ製品としての特性均一性を高めるには、個々の素子において、従来よりも高いレベルの特性均一性が必要となる。光出力や帯域の分布は MOCVD成長とウエハプロセスの品質に起因するものであるが、製造技術の成熟によって、それらはすでに高いレベルにある。
一方で、スペクトル幅と RIN は素子ごとにランダムにばら90°C 850nm 28G VCSEL
90°C 850nm PAM-4 VCSEL
90°C 900nm PAM-4 VCSEL

05
図870(a)4.5 dB 以下（13）を満たしている。この結果は、先ほど述べた

101520Frequency (GHz)ついており、課題であった。
25小信号周波数応答

データセンタ向け次世代（400 Gbit/s）光通信用VCSELアレイ

図10は、スペクトル幅と RIN の均一性を評価した統計図である。一例として、850 nm VCSEL の結果を示した。従来の28G VCSEL に対し PAM-4 VCSEL では、スペクトル幅と RIN のばらつきが顕著に改善していることがわかる。こSpectral width (nm)

(a)

25°C
2590°C

PAM-4による変調方式。従来の NRZ（2値）変調方式に比べて倍の情報を扱える。
※2RIN

Relative Intensity Noise：レーザ光における光強度の揺らぎを平均光パワーにより正規化したもの。

RIN (dB/Hz)

緩和振動周波数（f r）※325°C
2590°C

入力電流の変化に対する光出力応答が急激に低下し始める周波数。半導体レーザの変調帯域を決定付ける。
※4TDECQ

Transmitter and Dispersion Eye Closure for PAM4：
PAM-4波形品質指標の一つ。

図10スペクトル幅（a）とRIN（b）の均一性

れは、先ほど述べたアパーチャ形状の最適化によって、横モードが従来よりも安定化したことによるものである。ス
ペクトル幅と RIN のばらつきが改善した結果、当社 PAM-4
VCSEL は、すべての特性において高い均一性を実現しており、400 Gbit/s 用途として十分な品質を有しているといえる。

結※14値のパルス振幅変調（PAM: Pulse Amplitude Modulation）

(b)

4.

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

言

本稿では400 Gbit/s 短距離光通信に求められている850nm/900 nm PAM-4 VCSEL アレイの開発について報告した。PAM-4変調において高品質な光出力波形を得るために、広帯域化については、エピタキシャル層構造のチューニングにより光閉じ込めを強化し、RIN については、酸化アパーチャ形状を最適化した。これにより、高温においても17 GHz 以上の3dB 帯域を達成し、RIN については、約4dB/Hz 低減することに成功した。これら特性改善の結果、
PAM-4光出力波形にて2波長とも良好なアイ開口が得られた。さらに、アレイ製品において重要な特性均一性に関しては、スペクトル幅と RIN の均一性を、横モードの安定化によって改善した。開発した PAM-4 VCSEL アレイは400Gbit/s 短距離光通信用途として十分な性能と品質を有して

参考

文

献

（1） IEEE P802.3cm,“400 Gb/s over Multimode Fiber Task Force,”
http://www.ieee802.org/3/cm/public/index.html（2）“QSFP-DD MSA,”http://www.qsfp-dd.com/（3）“400G BiDi MSA,”https://www.400gbidi-msa.org/（4） S. E. Ralph,“Requirements and Results for Practical VCSELTransmission using PAM-4 over MMF,”2016 Optical Fiber
Communication Conference and Exhibition, Anaheim (USA),Mar. 2016, Tu2G.4（5） R. Murty,“RMS Spectral Width,”IEEE 802.3 400 Gb/s overMultimode Fiber Task Force, Jan. 2019.
（6） L. Coldren and S. Corzine, “Diode Lasers and Photonic
Integrated Circuits,”New York Wiley（1995）（7） Chuan XIE、
「超高速マルチモードファイバ通信用面発光レーザ、フォトダイオード」、SEI テクニカルレビュー第183号（2013年7月）（8） E. P. Haglund, et al., "Impact of Damping on Large Signal VCSEL
Dynamics," International Semiconductor Laser Conference（ISLC）, 7-10（Sept. 2014）（9） J. Lavrencik, et al.,“Optimum VCSEL Apertures for HighSpeed Multimode Fiber Links,”Optical Fiber Communication
Conference and Exhibition, M1I.1, San Diego（USA）（Mar. 2018）（10）R. Kubota, et al.,“850/900-nm VCSEL Arrays for 400 Gbit/s
BiDi Applications,”24th OptoElectronics and Communications
Conference (OECC) and 2019 International Conference on
Photonics in Switching and Computing (PSC), Fukuoka（July2019）（11）T. Yoshikawa, et al.,“Complete polarization control of 8 × 8vertical‐cavity surface‐emitting laser matrix arrays,”Appl. Phys.
Lett. 66, 908（1995）（12）J. A. Tatum, et al.,“VCSEL-Based Optical Transceivers for Future
Data Center Applications,”Optical Fiber Communication
Conference and Exhibition, M3F.6, San Diego (USA)（Mar. 2018）（13）J. Ingham, "Baseline proposal for a 400 Gb/s optical PMD
supporting four MMF pairs," IEEE P802.3cm 400 Gb/s overMultimode Fiber Task Force（July 2018）いる。

2020 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 196 号

71

執筆

青木者 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
健 志＊ ：伝送デバイス研究所
博士（工学）

主査

久保田良輔：伝送デバイス研究所
博士（工学）

主査

吉本晋：伝送デバイス研究所

グループ長補佐

柳沢昌輝：伝送デバイス研究所
博士（工学）

グループ長

石塚貴司

：伝送デバイス研究所
博士（工学）

グループ長

小路

元

：伝送デバイス研究所
博士（工学）

部長

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ーーーー
＊主執筆者

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データセンタ向け次世代（400 Gbit/s）光通信用VCSELアレイ