2222....6666....222 2 ２２２２次次元次次元ア元元アアアレレレレーー化ーー化化化 VVCVVCSCCSESSEEELLLL のの変のの変調変変調調調
光インターコネクション用に VCSEL を用いる場合、各々の素子に電気的に直接変 調を加えて光信号を得る方法が考えられる。これまで VCSEL の単体素子の変調帯域 についてはいくつもの文献例があり、10 mA 程度で緩和振動周波数が数 GHz となり、
10 Gbit/s の伝送が既に報告されている 24)。しかしながら、VCSEL を２次元アレー化し た場合、配線容量の増加により変調帯域が制限される可能性がある。電気的な Cutoff 周波数 fcは一般に
と表される。ここで Ciは素子の容量で Riは電気抵抗である。半導体レーザを変調させ る際は、まずこのカットオフ周波数を所望の変調帯域より大きくしなければならず、
素子抵抗、素子容量を小さくする必要がある。ここで 2.6.1 項で取り上げた素子を用い て素子容量を測定してみると、図 2.36 のような測定結果が得られた。
図図図
図 2222....3333666 6 ＶＶＣＶＶＣＳＣＣＳＳＳＥＥＥＥＬＬのＬＬの素のの素素素子子子子容容量容容量量量ととととカカッカカットッットトトオオオオフフ周フフ周周周波波波波数数数数
これは横軸にパッドから各素子までの配線の長さをとったものであり、配線の幅は 5μｍ、Au ワイヤーのパッド面積は 100×280μｍ2としている。配線がない場合の 16 μｍφVCSEL の容量は 0.19 pF で、この場合のfcは 17 GHz となる。しかしながら２次 元化した場合配線容量が付加されるため 6.6 pF から 9.7 pF と１桁以上高くなり、この ため 3 dB down の変調帯域は図 2.36 に示したように、300〜500 MHz に制限されるこ
f
c =1/(2 C R ) (2.34)
p i ioptical power (mW) 0.4 0.5
0 1 2 3 4 5
0 0.1
Ith (mA) 0.2
0.3
10 20 30 40 50 60 70 80 CW
Temperature (°C)
optical power at 6 mA
配線面積を小さくすると素子の歩留まりや信頼性に問題が生じる可能性がある。
これは素子数を増やしてアレーを大規模にすればするほど、配線の長さにより変調 帯域が制限されるということを意味しており、大規模な２次元アレー化には素子のマ ウント、実装に工夫を要することがわかった。
2222....6666....333 3 ２２２２次次元次次元の元元ののの熱熱熱熱的的ク的的クククロロロロスストスストートトーーークククク
VCSEL を２次元アレー化した場合、変調帯域以外で問題となることに、各々の素 子によって発生した熱が他の素子に影響を与えるという熱的クロストークが考えられ る。これは VCSEL を高密度に集積する際には最も顕著な問題点として浮上してくる 可能性がある。VCSEL 単体についての熱の問題は 2.5.2 項で述べたが、２次元化した 場合についての議論はこれとは異なる。そこで 2.6.1 項で作製した 8×8 素子で２次元 の熱的クロストークについて調べてみることにする。
まず VCSEL アレー内の 1 つの素子のみを独立駆動した場合の閾値電流と光出力の 温度変化についてまとめると図 2.37 のようになる。ここで素子の温度制御は、セラミ ックパッケージの下にペルチェ素子を置き、ペルチェ素子への電流印加で温度変化を 与えている。6 mA の電流注入時の波長変化は 0.07 nm となり、2.5.2 項と同等であるた め、セラミックパッケージ温度と素子温度がほぼ等価であることが確認された。
図 図図
図 2222....3333777 7 8888××88××88 VVVVCCSCCSESSELLEELL アアアアレレーレレー中ーー中中中のの（のの（44（（44,,,,4444））素））素素素子子子子のの温のの温度温温度度度特特特特性性性性
さて、２次元の熱的クロストークを考えると、全素子が同時に発光した場合、中心 部分がもっとも影響を受けやすいことが容易に予想される。そこで実験条件としてペ
856
150 851
850 852 853 854 855
Wavelength (nm)
0 0.1 0.2 0.3
0 50 100 200 250
1
0 2 3 4
Current (mA) / pixel
15
0 5 10
Temperature (K) Optical power (mW)
T
Wavelength
Total Current (mA)
ルチェ素子の温度を 20 ℃に設定し、8×8 の中央付近の素子、ここでは（4,4）の素子 に 6 mA 電流を注入し、発振波長と光出力をモニターした。そして、その他の 63 素子 に徐々に同じ電流を加え、（4,4）素子の発振波長と光出力の変化を測定した結果を図 2.38 に示す。横軸の下の軸は 63 素子への総電流値を示し、上の軸は 63 で割った値の 各素子の平均電流値を表している。また、この図に発振波長変動と光出力変化から見 積もった（4,4）素子の活性層温度上昇を示している。この図からわかるように、全素 子が同時に発振した場合、中央付近の素子の温度上昇は 15 ℃程度であることがわか り、光出力として 150 µW 程度の減少が予想される。実際に２次元のパラレルな光イ ンターコネクション用光源として用いる場合、信号光は RZ (Return-to-Zero)もしくは NRZ (Non-Return-to-Zero)信号のため、消費電力は CW 時に比べて半分となり熱の影響 もこれより小さいと考えられる。以上により、素子間 250μｍ、8×8 程度の規模では レーザ発振を阻害するまでには至らないことがわかった。それでも、この結果から更 に VCSEL を高密度、大規模集積化する場合には、熱的クロストークが素子特性に与 える影響は大きくなり伝送特性の劣化を招く要因になることが予想される。
図 図図
図 222....332 388388 88 88××88××8 V8 VVVCCCCSSSSEEEELLL アLアアアレレレレーーのーーの熱のの熱熱熱的的的的ククロククロロロスススストトートトークーークククにににによよるよよるるる 中中中
中央央央央のの((((44のの 4、4、44、、4))))素4 素子素素子子子のののの特特性特特性性性変変変変化化化化