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通信用半導体レーザの研究

  • 写真なし池上 徹彦
  • 写真なし伊藤 武
小信号理論による半導体レーザ直接変調の共振現象

図1 小信号理論による半導体レーザ直接変調の共振現象

パルス変調によるスペクトル拡大

図2 パルス変調によるスペクトル拡大

多縦モード半導体レーザ高速パルス直接変調特性

図3 多縦モード半導体レーザ高速パルス直接変調特性

 半導体レーザは、光ファイバと共に光ケーブル通信の重要な構成要素であり、光ファイバの優れた特徴を引き出す多くの能力をもっている。なかでも、半導体レーザに流す電流に信号を乗せてレーザ光を変調する直接変調技術は、その広帯域と簡便さから光ケーブル通信に不可欠の技術となっている。

 本業績は、半導体レーザの直接変調特性の解明、ならびに通信用半導体レーザの高信頼化を含む通信用半導体レーザの研究にある。

 本研究では、通信用光源としての半導体レーザの解析を進め、直接変調特性を決定する最も重要な「共振現象」を予測し、実験で確認した。また、直流動作時に1本の縦モードで発信している半導体レーザにパルス電流を印加すると縦モードの数が増加する現象を見出し、縦モードの振舞いを含む過渡応答特性を明らかにすると共に、長距離大容量ケーブル伝送に対する光源側からみた限界を予測した。

 この研究では、続いて、多縦モード発信における光強度ゆらぎを詳細に調べ、レーザの強度ゆらぎに関するMcCumber理論の確認を行い、更に、光伝送の立場からこの現象を検討し、高速直接変調時には多縦モード化された各モードの強度分布は一様でないという重要な結論を導いた。つまり、パルス変調された半導体レーザの時間平均光スペクトルは一定の分布をしていても、瞬時の各縦モードの分布はランダムになっていることを見出した。

 本研究では、この結果を波長分布のある単一モードファイバ伝送に適用し、上記のランダムなモード分布は受信波形に伝送劣化を与えること、その劣化は等価的な雑音として評価できることを見出した。更に、この雑音を「モード分配雑音」と名付け、定量化し、長距離大容量光ケーブル伝送方式の設計を可能とした。この結果により、現在では通信用半導体レーザの主流となっている単一縦モードレーザの重要性が明確になった。

 更に本研究では、通信用半導体レーザの信頼性の研究も進め、1.3μm帯で発振する各種半導体レーザの劣化解析と新たな素子選別方法(Hard Screening Method)の提案を行った。この研究は素子を高信頼化に向けて大きく前進させ、陸上光ケーブル方式はもとより海底光ケーブル方式実用化の強い支えとなった。

 以上のように、本研究の成果は基礎的研究として学問分野に貢献したと共に、長距離大容量伝送および海底伝送を含む光ケーブル通信の実現に貢献し、これらの分野の進歩への寄与は極めて大きい。

 本研究の成果に対して、電子情報通信学会は、1984年、池上 徹彦(当時:日本電信電話公社)、伊藤 武(当時:日本電信電話公社)に業績賞を贈った。

文献

[1] T. Ikegami, and Y. Suematsu、Resonance-like characteristics of the direct modulation of a junction laser、1967年、Proc. of IEEE, vol. 55, pp. 122-123, 1967
[2] T. Ikegami, and Y. Suematsu、Carrier lifetime measurement of a junction laser using direct modulation、1968年、IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-4, no. 4, pp. 148-151, 1968
[3] T. Ikegami、Reflectivity of mode at facet and oscillation mode in double heterostructure junctin lasers、1972年、IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-8, no. 6, pp. 470-476, 1972
[4] T. Ito, S. Machida, T. Ikegami, and S. Ohara、Optical transmission experiment at 400 Mb/s using a graded-index fibre、1975年、Electron. Lett., vol. 11, no. 16, pp. 375-376, 1975
[5] T. Ikegami、Spectrum broadening and tailing effect in directly modulated injection lasers、1975年、1st European Conf. Optical Fibre Communication Tech. Digest, London, pp. 111-113, 1975
[6] T. Ito, S. Machida, K. Nawata, and T. Ikegami、Intensity fluctuations in each longitudinal mode of a multimode AlGaAs laser、1977年、IEEE J. Quantum Electron., vol. QE-13, no. 8, pp. 574-579, 1977
[7] T. Ikegami, K. Takahei, M. Fukuda, and K. Kuroiwa、Stress tests on 1.3 um buried-heterostructure laser diode、1983年、Electron. Lett., vol. 19, no. 8, pp. 282-283, 1983

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レーザ・量子エレクトロニクス、光エレクトロニクス、半導体レーザ、直接変調、光通信
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