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動的単一モードレーザと集積レーザ ~超高速・長距離光ファイバ通信の基礎研究~

熔融石英を材料とする光ファイバの光の伝搬損失と波長の関係

図1 熔融石英を材料とする光ファイバの光の伝搬損失と波長の関係

束ね集積型分布反射器レーザの構造図

図2 束ね集積型分布反射器レーザの構造図

束ね集積型分布反射器レーザの作製プロセス

図3 束ね集積型分布反射器レーザの作製プロセス

レーザ領域と出力導波路の接続部分の電子顕微鏡写真

図4 レーザ領域と出力導波路の接続部分の電子顕微鏡写真

室温連続動作における電流対光出力特性と発振スペクトル

図5 室温連続動作における電流対光出力特性と発振スペクトル

正弦波電流駆動時の発振波長スペクトル

図6 正弦波電流駆動時の発振波長スペクトル

束ね集積型分布反射器レーザの発振波長の温度に対する変化の様子

図7 束ね集積型分布反射器レーザの発振波長の温度に対する変化の様子

 光ファイバ通信は社会の情報通信基盤として広く使われている。特に、この技術が作られた1986年には、光ファイバ通信の研究開発が進み、商用化が急激に行われていた時代であった。この年には、図1に示すように、光ファイバの損失が最低になる波長1.5μm帯の光ファイバ通信は超高速で長距離の幹線に使われ始めた。広く商用されている。その光源には、波長が単一で安定に働く「動的単一モードレーザ」と呼ばれる、半導体レーザが使われる。本技術はこの「動的単一モードレーザ」の一つについ述べている。

 この技術のもう一つの側面は「集積レーザ」である。集積レーザは、図2のように、光を出すレーザ部分と一体的に組み込まれた光を導き出す受動の出力用の光導波路を集積している。図2は一体集積の進んだ方法、「束ね集積型分布反射器レーザの構造図」を示している。集積レーザの特徴は、この出力導波路上に、波長選択の機能(ここではDBRと呼ばれる分布反射器)や波長制御機能、光検出器や光増幅器などを組み込んで、レーザの機能を格段に向上すると共に、高い機能を持った光集積回路を構成する元になるものである。現に、集積レーザの出力導波路に位相制御機構を分布反射器と共に一体集積し、電気的に発振波長を微細に可変できる波長可変レーザ(Wavelength Tunable laser, 波長同調レーザともいう)が1983年に実現されて用いられている。多くの波長を同時に用いる波長多重通信の発展に寄与するであろう。

 さて、上記の超高速・長距離の1.5μm帯光ファイバ通信の特徴を生かすには、光源としての半導体レーザの波長帯が光ファイバに適合した1.5μmで働き、さらにそのレーザが動的単一モードレーザであるとの厳しい性能が要求されていた。1979年の夏に、光ファイバの損失が最低になる波長1.5μm帯のGaInAsP/InP半導体レーザが実現され、室温連続発振が達成された。そして、この半導体レーザ材料を用いて、1.5μm帯の波長帯で単一波長で安定に働く動的単一モードレーザが、1981年に報告された。その後の発展が続き、1.5μm帯のシステムが発展した。

 この「動的単一モードレーザ」という考え方は、超高速で長距離の光通信実現のために1972年の示唆に始まって創案された概念で、単一波長で安定に動作するという半導体レーザのことである。ところで、普通の半導体レーザは、互いに向き合う2つの平面鏡で構成されたファブリ・ペロー(FP)レーザである。このようなファブリ・ペロー型の半導体レーザは、流す注入電流や周りの温度が変われば、波長が離れた他の波長に跳んだり、多くの波長(多モード)になったりして、レーザから放射される実質的な波長幅が広い。さて、光ファイバは、図1のように、波長が異なると屈折率が異なる分散によってる光パルスが鈍り、超高速伝送が阻害される。この問題は、動的単一モードレーザを開拓することで解決された。分散シフトファイバが登場して、光ファイバの分散は広い波長帯に渡って低減されている。また、多くの波長を用いる波長多重通信が用いられる。しかし、あまり分散を下げすぎると、波長間の非線形効果によって干渉が起きるので望ましくない。したがって、光ファイバの分散は必ず残ることになり、「動的単一モードレーザ」は必須の技術である。

 動的単一モードレーザの理論的な歩みは、1872年に横モード単一化、1973年には短共振器による単一化、1974年に位相シフト分布反射器/分布帰還レーザと進んだ。1975年に、集積2重導波路レーザとして、初めて集積レーザが実現された。この集積レーザを用いて、0.85μm帯の動的単一モードレーザが1976年に実現された。1.5μm帯については上に述べた。動的単一モードレーザ(Dynamic Single Mode Laser)という言葉が用いられるようになったのは1981年からである。

 さて、1987年に報告された「1.5-1.6μmGaInAsP/InP束ね集積型動的単一モード分布反射器レーザ」は、それまでの集積レーザを用いる動的単一モードレーザを発展させたものとして報告された。この集積レーザの構造は、「束ね集積型」(BIG)という新しい構造によって、図2に示すように、光を出すレーザ活性領域と、他の光回路を作り込むことのできる出力用光導波路領域とが一体集積されている。そのために、集積レーザ作成プロセスの再現性が良い。そして、このレーザは電流や温度などの動作環境に変動があっても、単一波長で安定に動作する。このレーザの材料は、インジウム・リンを基板とするガリウム・インジウム・ヒ素・リン結晶、すなわちGaInAsP/InP系の半導体で作られ、光ファイバの損失が最低になる波長1.5-1.6μmの光を放射する。

 この集積レーザは、図2に示すように、出力導波路上の両端にそれぞれ分布反射器(Distributed Bragg Reflector; 略してDBR)が作り込まれ、特定の波長のみで働く「動的単一モードレーザ」となっている。このような、レーザはDBRレーザとも云われる。 

 この「束ね集積型レーザ」(Bundle Integrated Guide Laser)は、レーザ領域と出力導波路領域の光接続を一層向上させた新しい集積レーザである。それによって単一波長性能の高いDBRレーザが作られた。「束ね集積」の方法は、一体集積の作製誤差の許容度が大きく、半導体光集積回路の基盤の一つである。「束ね集積」は、図2に示すように、光を出す活性層を、光の損失が少ない出力導波路で包み、両者を一体に束ねた構造である。このようにすると、接続部の光結合を再現性良く95-98%に高められる。その製造プロセスは、図3に示すように、第1段階で、活性層を成長する(a)。次に、必要な活性層をエッチングで残し(b)、一定間隔の周期的な溝のグレーティングを施して分布反射器のための準備をする(c)、そして、第2段階目の結晶成長により出力用の導波路を形成する(d)。さらに、横幅を細く削り取って(e)、第3回目の結晶成長で埋込みを行い完成させる(f)。後は、レーザを切り出せばよい。図4は、「束ね集積」構造の接続部の走査顕微鏡写真像を示している。

 このレーザの代表的なしきい値電流は、図5に示すように、27ミリアンペア(mA)程度で、波長1.51μm、光出力は数ミリワット(mw)である。動的単一モードレーザの出力光は、大部分が主モードの単一波長の光で占められているが、僅かながら波長の異なる副モードの光成分が含まれている。この抑圧された不要な副モードの光出力を主モードの光出力の比によってデシベルで表したものを、SMSR(Sub-Mode Suppression Ratio)という用語で表わす。このSMSRは、この研究に関連して、動的単一モードレーザの単一波長性能を評価するのに用いられており、その後、国内のJIS規格(1987年に採用)や国際規格IEC(2004年に採用)の標準用語に採用されて国際的に広く普及し、動的単一モードレーザが広く使われている実態を象徴している。本研究の「束ね集積型」DBRレーザのバイアス電流に1.55GHzの高周波電流を重畳して直接変調した場合の主モードと隣接する副モードの発振スペクトルを図6に示す。SMSRは、図6に示すように、32dBと測定され、副モードは主モードに対して約1000分の1に抑圧されていることを示している。

 この束ね集積型分布反射レーザの発振波長の温度に対する変化を図7に示す。温度が上昇すると、1°C当たり1.1オングストローム(10の-8乗cm)で変化するが、これは、半導体の屈折率が変わるためであって、発振波長が不連続に跳ぶことはない。普通のFPレーザでは、レーザ活性層の利得ピーク波長の温度変化に応じて数°Cの変化で波長が跳ぶので、1°C度当たり5オングストローム程度の変化をする。これらの測定結果は、このレーザが安定に単一波長で動作することを示している。

 この「束ね集積型動的単一モードレーザの研究」は、超高速・長距離光ファイバ通信の基礎研究の一環をなしている動的単一モードレーザや集積レーザの発展として成されたものである。

 本研究の成果に対して、電子情報通信学会は、1988年、東盛裕一、小森和弘、荒井滋久、末松安晴に論文賞を贈った。

文献

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