招待論文
シリコンフォトニクス向けレンズ集積型レーザマイクロプラット
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鈴木
崇功
†a)足立光一朗
†田中
滋久
†Lens-Integrated Surface-Emitting Laser Micro-Platform for Silicon Photonics
Platform
Takanori SUZUKI
†a), Koichiro ADACHI
†, and Shigehisa TANAKA
†あらまし シリコンフォトニクス (SiP) 技術を利用した光トランシーバを実現する上で，レーザ光源の実装 は重要な研究課題であり，SiP プラットホームに適した光源として 1.3-µm のレンズ集積型面出射 DFB レーザ (LISEL: Lens-Integrated Surface-Emitting Laser)を利用したレーザµ プラットホームを検討した．LISEL は DFBレーザにµ ミラーと µ レンズをモノリシック集積したレーザ光源であり，外部光学部品を利用することな く SiP プラットホームの光 I/O であるグレーティング型光結合器 (GC: Grating Coupler) との光結合を実現し た．本論文ではレーザµ プラットホームの基本設計及び試作結果について報告する． キーワード 面出射レーザ，集積，光結合，シリコンフォトニクス
1.
ま え が き
通信ネットワークに接続するデバイス数の増加やア プリケーションの多様化及び大容量化により，ネット ワークのデータトラヒックは増加している．ネットワー クは主にメトロ幹線系，データセンタ及びモバイルア クセスに分類することが出来，各ネットワークで利用 される光トランシーバの種類は多品種化してきている． 中でも巨大データセンタは，設備が3∼5年で一新さ れること，動作環境はある範囲で安定していること等， 従来までのテレコム市場とは異なる特徴を有しており， 光トランシーバへの要求も従来からの大容量化，小型 化そして省電力化に加え，低コスト化が強く求められ るようになっている．例えば，100GbEtherの伝送距 離500 m以下のMSA (Multi-Source Agreement)で あるPSM4 (Parallel Single Mode fiber 4-lane)用の光トランシーバは伝送距離10 kmの光トランシーバの
約5割のコストダウンが求められている[1]．
最近注目を集めているシリコンフォトニクス(SiP:
†日本オクラロ株式会社，相模原市
Oclaro Japan, Inc., 4–1–55 Oyama, Chuo-ku, Sagamihara-shi, 252–5250 Japan
a) E-mail: [email protected]
Silicon Photonics)は，CMOS技術を利用することに よる大量製造とテスト，パッケージングコストの低減 が期待されることから，小型，省電力かつ低コストな 光トランシーバを実現するための技術として検討され ている．光トランシーバを実現する上で，半導体レー ザ，変調器，光フィルタ，フォトダイオード等の光デ バイスは必要な構成部品であり，SiP技術による光デ バイスが必要とされている．ここで，シリコンは間接 遷移型半導体でありそれ自身では通常発光しないため， SiP技術を光トランシーバに適用する上で，光源の実 装は重要な研究課題の一つとなっている． SiP用の光源としては，テレコム市場で実績のある InP基板を利用した化合物半導体のレーザを実装する 方法が種々検討されている．例えば，InP基板に活性 層を結晶成長させた基板をSiPプラットホームに貼り あわせる方法[2]，InP系のDFBレーザをバットカッ プリングで実装する方法[3], [4]やDFBレーザとレン ズ，ミラーを搭載したマイクロパッケージ(μPKG)を SiPプラットホーム上にハイブリッド実装する方法が 提案されている[5], [6]．これらの中でもLuxtera社の
μPKGはAOC (Active Optical Cable)で使用する
40 GbpsのQSFP (Quad Small Form-Factor Plug-gable)トランシーバや100G PSM4向けQSFP28ト
頼性が高いことが普及している理由の一つである．一 方，レンズ等の光学部品のコンポーネント数が多いこ と，これら光学部品の寸法がμPKGの寸法を決定し ていることから，推定される寸法は数∼数十mm2で あり，更なる小型化は難しいと予想される． 我々はSiPプラットホームにハイブリッド集積する 光源として，1.3μm帯のレンズ集積型面出射DFB
レ ー ザ(LISEL: Lens-Integrated Surface-Emitting Laser)を利用した小型なレーザμプラットホーム を検討している[7], [8]．図1 (b)にLISELを利用し たレーザμプラットホームの構成を示す．LISELは DFBレーザにμミラーとμレンズをモノリシック集 積したレーザ光源であり，共振器からの出射光は集積 ミラーにより，面方向に光路を変え，集積レンズを通っ てチップ表面から出射する．レーザμプラットホーム はLISELとスルーホールを有するキャリアのみで構 図 1 SiP用の光源．(a) 端面出射型 DFB レーザを用い たレーザµPKG，(b) LISEL を用いたレーザ µ プ ラットホーム
Fig. 1 Light source for SiP platform. (a) Laser µPKG, (b) Laser µ-platform using LISEL.
部品のモノリシック集積化やDFBレーザの共振器設 計の最適化によって，寸法が大きい外部光部品を使わ ず，光学部品点数を減らし，サブmm寸法の小型な レーザμプラットホームの実現を目指している． 本論文では，SiPの光I/Oとしてグレーティング型 光結合器(GC: Grating Coupler)を想定したレーザ μプラットホームの基本設計，及び試作結果を基に， (1) GCとの高効率な光結合，(2)レーザの高出力化， (3)アイソレータフリー動作といった課題に対する検 討状況を報告する．
2.
レーザ
µ
プラットホームの設計
レーザμプラットホームをSiPプラットホームに 実装し，GCと高効率な光結合を実現するため，レー ザ出射光のモードフィールド径をGCのモードフィー ルド径に一致させること，GCへの入射角度をGCの 回折角度に一致させることが重要である．本章では LISEL出射光の制御方法を中心にレーザμプラット ホームの基本設計について説明する． 2. 1 LISEL出射光のモードフィールド径の設計 図2にLISELの断面構造を示す．LISELからの出 射光のモードフィールド径はレーザの活性層のMQW(Multiple Quantum Well)端からレンズまでの距離D
とレンズの曲率半径Rに依存している．DとRの組
み合わせにより，出射光のモードフィールド径や出射
モード(発散系若しくは集光系)の制御が可能である．
図3にDとRをパラメータとしたときのFFP (Far
図 2 LISELの断面構造 Fig. 2 Cross sectional view of LISEL.
図 3 LISEL出射光の FWHM の計算結果 Fig. 3 Calculation results of FWHM from LISEL.
Field Pattern)のFWHM (Full Width Half Maxi-mum)の計算結果(等高線プロット)を示す．なお，こ こでは球面レンズを仮定している．DとRを制御す ることで，FWHM10◦以下の狭FFPが実現可能であ る．MQWからのレンズまでの距離Dはレーザチップ の厚さを考慮すると100∼200μm程度は必要であり， Rを大きくすると，発散系のビームが出射され，Rを 小さくすると集光系のビームが出射できる．集積レン ズでのモードフィールド径(数十μm以上)はDに依 存するものの，一般的なGCでの最適なモードフィー ルド径(10∼20μm)よりも大きい．そのため，LISEL からの出射光がGCと高効率に結合するためには，出 射光を集光させる必要がある． 2. 2 LISEL出射光の出射角度 LISELからの出射角度をGCの回折角度に合わせ るには二つの方法が考えられる．一つめはレンズ位置 のシフトのみで制御する方法，二つめはミラー角度と レンズ位置のシフトで制御する方法である．図4に出 射角度とその制御方法を示す．図4 (a)は垂直出射と なる場合のミラーとレンズの配置を示す．ミラー角度 は45◦でミラー反射光の主光線はレンズ頂点を通過 する．図4 (b)のようにレンズ位置をシフトさせた場 合，主光線がレンズ端を通過するため，斜め出射が実 現できる．ただし，出射角度を大きくする場合は，レ ンズ位置のシフト量を大きくする必要があり，レンズ でのケラレが発生すること，収差の影響がでることな どの課題が生じる．図4 (c)にはミラー角度とレンズ 位置シフトを組み合わせた場合を示す．ミラー角度を 45◦から変えることでミラーからの反射光が斜めにレ ンズを通過するため，斜め出射が実現できる．この場 合，レンズ頂点付近を利用することができるため，レ 図 4 出射角度の制御．(a) 出射角度 0◦，(b) 斜め出射 (レ ンズシフトのみ)，(c) 斜め出射 (ミラーシフト + レ ンズシフト)
Fig. 4 Principal of emission-beam control. (a) Stan-dard position (vertical emission), (b) angled beam with lens shift, (c) angled beam with lens shift and mirror angle.
ンズによるケラレや収差の影響を小さくすることがで きる[9]． 2. 3 高光出力化 本研究で用いたLISELのレーザ部の基本構造は， AlGaInAs系の多重量子井戸を用いたリッジ導波路型 DFBレーザで，25 Gbpsの高速直接変調レーザと類 似の構造である[10]．SiPプラットホーム用のレーザ はCW (Continuous Wave)光源として利用するため， 変調特性よりも光出力を重視した設計が必要になる． 一般的にDFBレーザの高出力化には屈折率結合係数 κと共振器長Lの積κLを小さくする必要があるが， 本研究では高光出力化と次節で議論する戻り光耐性 を両立する必要がある．そこで，共振器長の長尺化 (300μm)による活性層体積の増大と放熱特性の向上 による高出力化を図った． 2. 4 戻り光耐性 レーザμプラットホームでは部品点数の削減と小型 化のためアイソレータを搭載していない．そのため， 戻り光耐性が高いレーザが必要となる．一般的な半導 体レーザの戻り光強度に対する臨界値は式(1)で表す ことができる[11]． fc= τ 2 LΓ2 16|C|2
1 +α2 α4 (1) fcは臨界帰還率と定義され，臨界帰還率以上の戻り 光がレーザと結合すると，線幅や相対雑音強度(RIN:とGC間の結合損失をLc dBとすると，臨界帰還率 が−20-2Lc dBとなるレーザ設計が必要になる．例 えば，レーザとGC間の結合損失が3 dBである場合 は，臨界帰還率−26 dB以上が求められる．本研究で はLISELのDFBレーザ構造を最適化することで，臨 界帰還率の設計値は−13.4 dBとなった．この値は上 記のしきい値に対しては十分なマージンを確保してお り，アイソレータフリー動作が期待できる．
3.
試作及び評価結果
図5に試作したLISELチップの写真を示す．図5 (a) はLISELのレーザ光出射面側の顕微鏡写真である． チップ中央部に集積レンズが形成されている．レン ズ表面には無反射コーティング膜，DFBレーザ後端 面には高反射コーティング膜をそれぞれ成膜してい る．図5 (b)は図5 (a) A-A’面での断面図SEM写真で，曲率半径が約100μmの凸型集積レンズである．
集積ミラーはレンズ面と反対側の面に集積されており，
図 5 試作した LISEL 写真．(a) 素子上面図，(b) 集積レ ンズ断面図，(c) 45◦集積ミラー，(d) 48◦集積ミ ラーの断面 SEM 写真
Fig. 5 Photograph of fabricated LISEL, (a) Top view of chip, (b) cross sectional view of integrated lens, (c) SEM of 45-deg integrated mirror, (d) SEM of 48-deg integrated mirror.
評価結果を示す．25◦Cでの最大光出力は60 mWに到 達しており，85◦Cでも20 mWの良好な高光出力発振 を得た．図6 (b)は各温度における発振スペクトルで ある．25◦Cから85◦Cにおいて，隣接モード抑圧比 35 dB以上の良好な単一モード発振を確認した． 3. 2 出射光の出射角度 LISELのビーム出射角度を評価するため，FFPを 測定した．図7は出射角度のミラー角度とレンズ位 置シフト量依存性の測定結果と計算結果を示す．横軸 の原点は出射ビームの主光線とレンズ中心が一致する ときのレンズ位置と定義している．ミラー角度が45◦ のとき，すなわちレンズシフトのみで出射角度を制御 した場合には，レンズシフト量13.5μmで出射角度 17.5◦が得られている．これに対して，ミラー角度が 48◦のときは，レンズシフト量が−1.0 μmで出射角度 18.3◦が得られており，レーザ共振器からの出射光の 図 6 LISELのレーザ発振特性．(a) 電流光出力特性， (b)発振スペクトル
Fig. 6 Fundamental lasing characteristics of LISEL, (a) L-I curve, (b) Spectrum.
図 7 ビーム出射角度のレンズシフトと集積ミラー角度依 存性
Fig. 7 Emission angle as a function of lens shift and mirror angle.
図 8 FFP の 評 価 結 果 ．集 積 ミ ラ ー 角 度/レ ン ズ シ フ ト量 (a) 45◦/−13.5 µm，(b) 48◦/−1.0 µm，(c) 48◦/−3.7 µm，(d) 48◦/2.2µm
Fig. 8 Measured FFP. Mirror angle/lens shift is (a) 45 deg/−13.5 µm, (b) 48 deg/−1.0 µm, (c) 48 deg/−3.7 µm, (d) 48 deg/2.2 µm. 主光線がレンズの頂点の中心付近を通過した場合でも 大きな出射角度が得られた．実測値は計算値とほぼ一 致しているため，ミラー角度調整及びレンズ位置シフ トにより出射角度の調整が可能であることが明らかに なった． 図8は図7の測定点におけるFFP形状を図示して いる．V，H方向はそれぞれ，DFBレーザの共振器 に垂直，水平方向である．図8 (a)はミラー角度45◦， レンズシフト量13.5μmの場合で，大きな出射角度 (17.5◦)が得られているがモードフィールドが乱れて 図 9 LISELと GC の光結合損失
Fig. 9 Optical coupling loss between LISEL and GC as a function of distance between LISEL and GC. いることがわかる．これはレンズ面でビームの一部が レンズ有効径から外れているため，ケラレが発生して いると考えられる．一方でミラー角度48◦，レンズシ フト量5μm以下の図8 (b)，(c)，(d)では，大きな出 射角度が得られているにもかかわらず，モードフィー ルドの乱れは発生していない．これはミラー反射光が レンズ有効径内を通過しているためである． 以上の結果により，ミラー角度とレンズ位置シフト の両方を組み合わせることで，FFPの劣化を抑えつ つ，出射角度の調整が可能であることを実証した． 3. 3 結 合 実 験 曲 率 半 径 R が 異 な る 2 種 類 の LISEL (R = 90, 120 μm)を用いて結合実験を実施した．実験に 用 い た LISELは 図 2のDが 約150μm で あ る た め ，R = 90μm のLISEL の 出 射 光 は 集 光 系 で ， R = 120μmのLISELの出射光は発散系である．集積 ミラーの角度は48◦とし，出射角度がGCの回折角と 一致するようにレンズ位置を決定した．図9にLISEL を室温で動作させたときの結合損失のLISELとGC 間距離依存性の測定結果と計算結果を示す．発散系の LISELの場合，LISELとGC間距離が短くなること で，損失が低減しているが，結合損失は約8.5 dBと大 きい．これはLISEL出射光が発散しているため，GC 面でのモードフィールド径がGCの径よりも大幅に大 きいためである． 集光系のLISELの場合もLISELとGC間距離を 短くすることで，結合損失が小さくなっている．更に 結合損失は最小で3.9 dBまで低減している．図9の ◆，◇は異なるサンプルの測定結果で，ほぼ同等の結 果を得ている．集光系のため，モードフィールド径が GC径に近づいていることを意味している．計算では
Fig. 10 Photograph of laserµ-platform on SiP plat-form. LISELとGC間距離が250μmのときに結合損失が最 小となり，更に近づけると結合損失が増加する．これ は250μm近傍にビームウェストが存在しているため である．実測では物理的にLISELとGC間距離をこ れ以上短くすることができなかったため，ビームウェ ストの存在は確認できていない．しかしながら，計算 と実測の傾向がほぼ一致していることから集光系であ ると判断できる．計算と実測の結合損失の差は約1 dB であり，モードフィールド径の不一致やレーザ発振波 長とGCピーク波長のずれが影響していると考えてい る．図8のFFPよりV，H方向のモードフィールド 径が一致していないことが明らかで，これはレンズの 曲率半径の非対称性が原因である．レンズ作製プロセ スの改善によって非対称性を低減することで，結合損 失の低減につながる． 3. 4 レーザµプラットホームの試作 続いてレーザμプラットホームを試作した．図10 にSiPプラットホームに搭載したレーザμプラット ホームの写真を示す．LISELは図9の結合実験に用 いた集光系用のレンズを集積しており，チップ幅と長 さはそれぞれ250μm及び600μmである．DFB部 の長さは300μmで高出力化と戻り光耐性が高い構造 である．LISELは熱抵抗が低いAlNキャリアにレン ズ面を下にして半田搭載している．AlNキャリアはハ ンドリングを考慮し，幅1.5 mm×長さ5 mmにした． SiPプラットホームにはレーザ用GC，変調器，ファ イバ用GCが形成されており，ファイバアレーを搭載 した後にレーザμプラットホームをアクティブアライ メント搭載している． 3. 5 戻り光耐性 戻り光耐性を評価するために3.4のSiPプラット ホームに搭載したレーザμプラットホームのRINを 測定した． 図 11 SiPプラットホーム搭載前後の RIN 特性結果 Fig. 11 Measured RIN characteristics of LISEL
µ-platform. SiPプラットホーム搭載前後のRIN特性の評価結果 を図11に示す．SiPプラットホームに搭載することに よって，RIN特性が若干劣化していることが確認され た．これはSiPチップからの戻り光の影響と推定でき るが，100GbEの規格の仕様(RIN≤ −140 dB/Hz) を満たしており，実用的な水準である．
4.
む す び
シリコンフォトニクス(SiP)プラットホーム用の レーザ光源として，1.3μm帯のレンズ集積型面出射 DFBレーザ(LISEL)を利用したレーザμプラット ホームを提案し，設計，試作結果を通じて研究開発の 状況を報告した．レーザμプラットホームはLISEL とスルーホールを有するキャリアのみで構成され，小 型かつ簡易な実装で実現できる．LISELのレンズや ミラーを最適設計することにより，GCとの結合損失 3.9 dBを実験的に確認し，アイソレータを省いた構 成でもRIN−140 dB/Hzの安定した動作を実証した． SiP技術を利用した光トランシーバの実現に向け，本 技術は有用な光源実装技術の一つであり，実用化に向 けては放熱性や信頼性の実証が必要である． 文 献 [1] http://www.ieee802.org/3/bm/[2] A.W. Fang, et al., “A distributed feedback sili-con evanescent laser,” Opt. Express., vol.16, no.7, pp.4413–4419, 2008.
[3] T. Shimizu, et al., “High density hybrid integrated light source with a laser diode array on a silicon optical waveguide platform for inter-chip optical in-terconnection,” Proc. Group Four Photonics 2011, ThB5, 2011.
[4] R. Grzybowski, “III-V + Silicon: To Integrate or to Copackage?,” Proc. Optical Fiber Communication Conference 2017, S1E, 2017.
[5] A. Narasimha, et al., “A 40-Gb/s QSFP optoelec-tronic transceiver in a 0.13µm CMOS silicon-on-insulator technology,” Proc. Optical Fiber Commu-nication conference 2008, OMK7, 2008.
[6] A. Narasimha, et al., “An ultra low power CMOS photonics technology platform for H/S optoelectronic transceivers at less than $1 per Gbps,” Proc. Optical Fiber Communication conference 2010, OMV4, 2010. [7] T. Suzuki, et al., “A light source using 1.3-µm lens-integrated surface-emitting laser for silicon photon-ics,” IEEE Photonics Technol. Lett., vol.26, no.11, pp.1089–1091, 2014.
[8] T. Suzuki, et al., “1.3-µm DFB laser µ-platform; Light source suitable for silicon photonics platform,” Proc. Optoelectronics and Communications Confer-ence 2016, WD1-4, 2016.
[9] K. Adachi, et al., “Emission beam engineering of 1.3-mm high-power DFB laser using monolithically-integrated mirror and lens for silicon photonics,” Proc. European Conference on Optical Communica-tion 2016, Th.2.P2.SC2.12, 2016
[10] K. Adachi, et al., “25-Gb/s multichannel 1.3-µm surface-emitting lens-integrated DFB laser arrays,” J. Lightwave Technol., vol.29, no.19, pp.2899–2905, 2011.
[11] J. Helms et al., “A simple analytic expression for the stable operation range of laser diodes with optical feedback,” IEEE J. Quantum Electron., vol.26, no.5, pp.833–836, 1990.
[12] T. Suzuki, et al., “Simple method for integrating DFB laser and silicon photonics platform,” Proc. Group Four Photonics 2015, WF3, 2015.
[13] http://psm4.org/100G-PSM4-Specification-2.0.pdf
[14] 馬場俊彦，“シリコンフォトニクスによる新世代光集積と
インタコネクション，”信学誌，vol.94, no.12, pp.1037– 1040, Dec. 2011.
[15] P.D. Dobbelaere, et al., “Silicon photonics transceivers for high speed optical interconnect,” Proc. Optoelectronics and Communications Confer-ence 2015, JWeE.33, 2015. （平成 29 年 6 月 30 日受付，10 月 10 日再受付， 30年 2 月 13 日公開） 鈴木 崇功 （正員） 2006慶應義塾大学大学院博士課程修了． 2006-2016 (株) 日立製作所中央研究所に て半導体レーザの研究開発に従事．現在， 日本オクラロ (株) にて半導体レーザ及び 光サブアセンブリの開発に従事． 足立光一朗 （正員） 2005東京農工大学大学院修士課程修了． 2017東京工業大学大学院博士課程修了． 2005-2016 (株) 日立製作所中央研究所に て半導体レーザの研究開発に従事．現在， 日本オクラロ (株) にて半導体レーザの開 発に従事． 田中 滋久 （正員） 1987京都大学・工卒．1989 同大大学院 修士課程了．1989-2016 (株) 日立製作所 中央研究所にて化合物半導体結晶成長，光 通信用高速光素子，可視半導体レーザ等の 研究開発に従事．2016 から日本オクラロ (株) にて光通信分野の研究に従事．
