成果報告書詳細
管理番号20140000000474
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 グリーン光リンク技術のための低消費電力面発光レーザアレイの研究開発
公開日2014/8/5
報告書年度2011 - 2013
委託先名古河電気工業株式会社 富士ゼロックス株式会社 国立大学法人東京工業大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 スーパーコンピューター(スパコン)等の産業用情報機器の演算速度の爆発的な伸びや,パーソナルコンピューター(パソコン),携帯電話等の民生用情報機器の高速化・高機能を実現しつつ,省エネルギー技術,すなわちグリーンICTを実現するために,低消費電力・高速面発光レーザアレイを開発することを目的とした.サブテーマとして,1)スパコンなど産業用情報機器の高速動作・大規模光リンクに適する低消費電力VCSELの開発,2)パソコンや携帯電話などの民生用情報機器の光インターフェースや光配線に適する低消費電力VCSEL,さらに,3)低消費電力化をさらに加速するための低消費電力化基盤技術開拓を推進した.
1) スパコン用1060nm帯低消費電力VCSELの研究開発
 平成23年度:25GbpsVCSELの設計,25Gbps評価系の構築,25Gbps素子の試作と25度での25Gbpsアイ開口確認を達成した.平成24年度:25Gbps 4チャンネルの試作,70度までの25Gbpsアイ開口確認,0.4mW/Gbps以下の低消費電力化を達成した.平成25年度:消費電力0.34mW/Gbps,90Fit/chの高信頼性を実証した.また,1060nm用に最適化されたマルチモードファイバーリンクにおいて,300mのエラーフリー伝送を実現した.
2) パソコン・携帯電話用低消費電力850 nmVCSELの開発
平成23年度: InAlGaAs発光層を用いた850nm帯VCSELを試作し,しきい値電流2mA以下を達成した,平成24年度: InGaAs量子井戸発光層,またはInAlGaAs量子井戸発光層をもつ2種類のVCSELを製作し,従来のVCSELと同等の発振特性を得た.また,変調速度10Gbpsの良好なアイパターンを得て,InGaAs,InAlGaAs発光層VCSELの平均消費電力0.26 mW/Gbpsを達成した.平成25年度:InGaAs/AlGaAs発光層VCSELアレイ(10チャネル)を作製した.駆動電流1.5mAで,すべてのVCSELアレイにおいて良好な10Gbpsアイパターンを得て,マスクマージン15%以上が得られた.VCSELの平均消費電力は0.27 mW/Gbps/チャネルを達成した.
3) 面発光レーザ低消費電力化基盤技術開拓
平成23年度:量子井戸混晶プロセスのPL測定による評価とそのモデル化を行い,混晶化面発光レーザ製作技術を確立した.また,横方向結合を用いた面発光レーザと吸収型光変調器を集積した変調器集積光源を製作し,しきい値電流3mAを得た.スローライト変調器の構造最適化を図るために,変調器単体を製作し,変調電圧 1Vで消光比5dBを実現した.
平成24年度:光変調器集積光源を製作し,しきい値電流0.9mA,変調電圧振幅0.7Vを達成した.また,吸収型光変調器としては,世界最低の変調電圧振幅0.5V以下を得た.新たな狭窄構造である混晶化VCSELのプロセス技術を確立し,しきい値電流1mA以下の発振を得た.平成25年度:くびれ酸化狭窄構造による光変調器集積面発光レーザを製作し,しきい値電流1mA,変調電圧振幅400mVpp以下を実現した.また,小信号帯域>30GHz,大信号25Gbpsを実証した.さらに,変調器集積光源と同構造の横方向結合共振器面発光レーザにおいて,世界最速の変調帯域27GHz以上,36Gbpsの動作実証に成功した.
英文要約Developments of Low Power Consumption VCSEL Arrays for Green Optical Link Technologies (FY2011-2013) Report

The purpose of this project is to develop low-power consumption and high-speed VCSELs for green optical link technologies such as optical interconnects in super-computers, data centers and consumer computer networking. The developments consist of the following three subjects.

1) Development of the 1060nm VCSELs with the Low Power Consumption for the Super-Computer (Furukawa Electric.)
The final goal of this research is to develop the 25Gbps x 4ch VCSEL array with both low power consumption and high reliability. 25Gbps x 4ch 1060nm VCSEL arrays were fabricated. The 25Gbps eye opening at 343K and the low power consumption less than 0.4mW/Gbps was obtained. Also, we demonstrated the stable low power consumption as low as 0.34mW/Gbps by enlarging the small signal modulation bandwidth up to over 20GHz. The high reliability of 90fit/ch was demonstrated through the high temperature aging life test.
2) Development of low consumption 850 nm wavelength VCSELs. (Fuji Xerox Corp.)
We introduced InGaAs or InAlGaAs strained QW in an 850nm VCSEL instead of a conventional lattice-matched GaAs QW for low power consumption and high speed modulation. We fabricated 3.4-nm-thick InGaAs 3QW and 7.0-nm-thick InAlGaAs 3QW VCSEL. We measured a 10 Gbps operation eye-diagram of these VCSELs at bias current of 1.5 mA at room temperature.. There is no mask hit of 10 Gigabit Ethernet with eye-patterns of InGaAs and InAlGaAs QW VCSELs, while there is large mask hit with an eye-pattern of GaAs QW VCSEL. In addition, 10 channel InGaAs/AlGaAs QW VCSEL array was fabricated. Uniform L/I characteristics and clear eye pattern with bias current of 1.5mA of 10 channels were achieved. The power consumption of each VCSEL on the array is as low as 0.27 mW/Gbps .
3) Establishment of long-term low power consumption VCSEL technologies (Tokyo Institute of Technology)
The establishment of the carrier confinement technology using a quantum structure intermixing (QSI) is one of our goals. Another target is to realize a laterally integrated InGaAs VCSEL/ electro-absorption modulator chip for higher modulation bandwidth and lower power consumption. The QSI-VCSEL using the sputtering silicon oxide was fabricated, and a threshold current of less than 1mA was obtained. We fabricated an electro-absorption modulator/VCSEL integrated chip. An ultra-compact (8 micrometer long) electro-absorption modulator was laterally integrated with an InGaAs VCSEL incorporating a bow-tie-shaped oxide aperture. A low driving voltage operation below 400 mVpp for a dynamic extinction ratio of 6 dB and a large signal modulation of up to 25 Gbit/s was demonstrated. The small signal modulation bandwidth is over 30 GHz.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る