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光输出不随温度而变的量子脉冲激光器开发成功

世界首次!无需调整电流,在20℃至70℃范围内的10Gbps动作得以验证

富士通株式会社

东京, 2004-09-20

东京大学(1)荒川泰彦教授主持的开发小组与富士通株式会社利用量子脉冲(2),成功开发了不受温度影响,可抑制光输出特性变化的脉冲激光发生器,改善了以往的半导体激光发生器的缺陷。新开发的脉冲激光发生器受温度影响极小,几乎不发生光输出变化,无需调整激光发生器的驱动电流,可在20℃至70℃的范围内,实现每秒10千兆位(以下称Gbps)的高速动作。

根据此次开发的技术,正在推进中的光城市连接系统(3)及高速光LAN(4)所使用的数据发送设备的小型化、低耗电和低成本将成为可能。

此次的技术开发活动是在文部科学省IT规划中为实现世界最先进IT国家的重点研发项目以及(财)光产业技术振兴协会接受独立行政法人新能源和产业技术综合开发机构(NEDO)的委托项目中开展实施的。

该技术的详细内容于9月5日至9日,在斯德哥尔摩召开的光通讯领域的国际会议上,「European Conference and Exhibition on Optical Communication 2004(ECOC 2004)」作为总结性论文被发表。

【开发背景】

在光城市连接系统和高速光LAN的应用中,作为光源的半导体激光发生器由于受到小型化、低耗电和低成本的要求而需要在不配有冷却器的前提下达到高温下的高速动作。现在,由于在激光的发光部位使用了斜量子井,在高达85℃温度下可进行10Gbps的高速动作的半导体激光发生器(以下称斜量子井激光发生器)已投入实际使用。

【研究课题】

但是,在这种斜量子井激光发生器中,受周围温度变化的影响,激光的光输出也会随之变化,所以必须根据周围的温度变化来调整驱动电流。因此,便需要配置外围电路,这样,便使光城市连接系统或高速光LAN所要求的小型化、低成本、低耗电受到了限制。

【开发技术】

此次开发的是半导体激光发生器受温度的影响极小,几乎不发生特性的变化。在新开发的半导体发生器的发光部位采用了3维纳结构体的量子粒。(图1) 量子粒激光发生器不依赖温度而动作的理论在1982年就已被东京大学的荒川教授所预测,而在此前,仅实现了低温下的动作。

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图1:量子脉冲激光器的构造

此次在实现了量子粒达到10层的多层化、高密度的同时,又将P型杂质导入至离量子粒极其接近的部位,从而提高了增幅收益。更为先进的是,为了实现高速变调,成功地设计出寄生容量更小的激光发生器构造,使激光发生器的光输出不再受温度变化的影响,可在比室温更高的温度下进行高速动作。

【实验效果】

作为适用于光通讯波带宽为1.3微米的激光发生器,无需在20℃至70℃的温度范围内调整驱动电流,便可实现10Gbps的高速变调动作。作为通信波带宽的量子粒激光发生器,10Gbps的高速变调动作是世界上最快的速度。

在图2左侧,显示出新开发的量子粒激光发生器以10℃为单位从20℃到100℃的光输出特性。在20℃至50℃的温度范围内,光输出特性基本不依赖温度的变化。此外,即使温度超过了50℃,光输出特性(特性的倾向)也很稳定,而直到70℃,光输出特性的变化也微乎其微。与图2的以往典型的斜量子井激光发生器相比,量子粒激光发生器实现了极高的温度稳定性。

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图2:电流-光输出特性的温度依赖关系

图3的上半部分显示的是新开发的量子粒激光发生器在20℃和70℃下的10Gbps的变调波形。即使进入激光发生器的电流在两种温度下相同,消光比(5)(注5)7分贝的输出模式依然很清晰。图3的下半部分显示的是斜量子井激光发生器,在同等条件下的变调波形,可以看出当温度达到70℃时,光输出降低,输出模式也随之被破坏,波形变得混乱。

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图3:在固定电流下20℃和70℃的10Gbps变调波形

图4是在10Gbps的变调动作中,平均光输出的变化与温度的关系的图示。斜量子井激光发生器的情况下,平均输出会随着温度的变化而大幅度降低,而量子粒激光发生器的平均输出变化仅在5%以下,基本保持不变。

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图4:固定电流下受温度影响的平均光输出的变化

根据这一特性,用于驱动激光发生器的电路将实现大幅度的简易化,在未来的光城市连接系统和高速光LAN中所使用的数据发送设备的小型化、低耗电和低成本将成为可能。

【今后展望】

今后,为实现技术的实用化,将进一步进行温度范围的扩大和动作波长的单一化的研究,目标在2007年确立具有实用化的技术。


★ 相关链接

东京大学纳米电子学连携研究中心
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  • [1] 东京大学

    校长佐佐木毅先生、所在地东京都文京区。

  • [2] 量子脉冲

    在纳米尺寸结构的量子脉冲中,通过量子封闭效果可实现效率极高的半导体激光发生器。现在,使用铟砒素的量子脉冲作为通讯用光源的实用化研究日益活跃。1982年,东京大学的荒川先生和榊先生就曾提出过在半导体激光发生器的发光部位的活性领域中使用量子脉冲的方案[Y. Arakawa and H. Sakaki:Appl. Phys. Lett., 40, 939 (1982)]。

  • [3] 光城市连接系统

    使用光纤的都市内(Metro)和连接者(Access)的通信系统。使用光纤连接各大城市实现长途通讯已开始实施,随着宽带的发展,以各个家庭为代表的近距离光纤连接也在迅速普及。

  • [4] 高速光LAN

    为实现数据的高速传输,使用光纤连接各传输设备的局域网。目前,以每秒万兆位作为标准。

  • [5] 消光比

    对应数据等级0和等级1的光强度比。变调特性是其指标之一。目前的光通讯中,光强度的差异由数字数据的0和1来区分,这个数值越大,数据的识别精度越高。

新闻ID: 2004-09-20
日期: 2004-09-20
城市: 东京
公司: 富士通株式会社