超高速マルチモードファイバ通信用 面発光レーザ、フォトダイオード

特　集
超高速マルチモードファイバ通信用
面発光レーザ、フォトダイオード
＊
Chuan XIE ・ Jiaxi KAN ・ Shenghong HUANG
Li WANG ・ Neinyi LI ・ Chan Chih CHEN
稲　野　滋
850 nm Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser and Photodiode for Ultra-High Speed Data Communications over
Multimode Fiber ─ by Chuan Xie, Jiaxi Kan, Shenghong Huang, Li Wang, Neinyi Li, Chan Chih Chen and Shigeru
Inano ─ With the advent of cloud computing, the proliferation of smart phones and tablets, and the omnipresence
of social networking, the bandwidth need for data communication continues its phenomenal growth. The maximum
data transmission speed is expected to double to the rate of 25 Gbit/s or 28 Gbit/s in a few years. In this paper, we
report on the development of the 850 nm vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and photodiode (PD) at
Sumitomo Electric Device Innovations USA (SEDU) intended to operate at this new data rate. These devices are
targeted to be used in active optical cables (AOC) and transceivers over multi-mode fiber for optical interconnect
and short reach applications. We have successfully demonstrated their operation in an enhanced data rate (EDR)※ 1
AOC running at 25.8 Gbit/s over 50 meters of laser-optimized 50/125 µm multi-mode fiber (OM3)※ 2 at the Optical
Fiber Communication Conference and Exposition (OFC) 2013.
Keywords: 25 Gbit/s, 850 nm, VCSEL, PIN photodiode, AOC
1.　緒　言
現代の巨大なインフラであるインターネットは、歴史的
よう考慮することが重要となる。熱的な制約のほかにも、
に見ても驚くべき成長を続けている。利用者数の急速な伸
低消費電力化、長寿命化の要求に応えるために動作電流を
びもさることながら、利用者一人あたりの使用データ量も
（3）、
（5）
。
低減しなければならない（2）、
急激に増加している。また近年ではインターネットに接続
低バイアス電流で高い緩和振動周波数を得るためには、
する機器の種類もパソコン以外のものが増えており、イン
VCSEL の設計において微分利得の増大、内部効率の向上、
ターネットで利用できるサービスの種類、ネット上で保存
モード体積の低減を図る必要がある。
するデータの量も飛躍的に伸びている。これらの成長を支
えるための通信帯域の拡大、伝送速度の向上が喫緊の課題
VCSEL の微分利得を改善するために歪量子井戸を採用
し、共振器損失を考慮して構造を最適化した。
である。Infiniband（インフィニバンド）※ 3 のロードマッ
効率の改善にはキャリア漏れの低減による DC、AC 特性
プ（1）によると、2011 年に 1 チャンネル当たりの伝送速度
の改善が必要であり、共振器及び活性領域の再設計を行っ
が 14Gbit/s になり、2014 年にはその次のデータ伝送速度
た。本再設計により温度依存性の小さい VCSEL が実現で
である 26Gbit/s（EDR）が必要とされている。
きる。
筆者らはその市場要求を踏まえ、伝送速度 25 ～ 28Gbit/s
レーザの作製には高品質な結晶成長が重要であり、
の次世代 850nm 面発行レーザ（Vertical Cavity Surface
レーザの活性領域、とくに量子井戸とバリア界面の欠陥
、 （6）
、
Emitting Laser 以下 VCSEL）およびフォトダイオード（3）（4）
密度を低くしなければならない。欠陥が原因となりキャ
を開発した。
リアが非発光再結合し、内部量子効率が低下することで
本稿ではその開発の取り組みについて述べる。またデバイ
スの特性および EDR AOC を使用した伝送実験結果を示す。
レーザ発振閾値が増大してしまう。さらに非発光再結合
時に解放されるエネルギーが新たな欠陥を生み、欠陥移
動が促進される。このような欠陥発生・移動は信頼性の
点で大きな問題となる。
2.　デバイス設計
酸化狭窄径が比較的大きい場合、これを小さくすること
VCSEL は端面発光型
はモード体積の低減に有効である。ところが酸化狭窄径が
レーザに比べて小型で熱抵抗が高いため、熱飽和を起こさ
ある程度小さくなると、熱飽和と抵抗の増大により帯域が
ない低バイアス電流で、緩和振動周波数が十分に上昇する
制限されるため、さらに小さくしても動作速度を遅らせる
2 − 1　VCSEL の高速化設計
2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 65 ）−
のみである。酸化狭窄径が非常に小さい場合、横方向の光
2 − 2　フォトダイオード設計の最適化
フォトダイ
閉じ込めが低下し動作速度に悪影響を及ぼす。これらの検
オードの帯域は、それ自体の容量とキャリア走行時間とい
討 に 基 づ い て 、 今 回 の VCSEL の 酸 化 狭 窄 径 は 既 存 の
う二つの要因により決定される。光ファイバとの光軸調芯
10Gbit/s VCSEL と同様とした。しかし 10Gbit/s VCSEL と
のためには受光径の大きいフォトダイオードが有利だが、
異なり、今回の設計は垂直方向の光閉じ込めを向上させて
フォトダイオードの容量は受光部の面積に比例する。容量
おり、光強度分布と量子井戸の重なり積分が改善している。
を下げるためにはフォトダイオードの pin 接合の i 層（真性
高品質のアイパターンを得るためには、低バイアス電流
層）厚、L を厚くしなければならない。一方、i 層が厚すぎ
で 高 い 緩 和 振 動 周 波 数 を 達 成 す る だ け で な く 、 EO
（Electrical to Optical）応答の適切な減衰も重要である。
るとキャリア走行時間が延びて速度が制限される。図 2（a）
に帯域のシミュレーション（7）を示す（負荷は 50 Ω、キャリ
減衰は主に光子寿命に左右される。図 1 のシミュレーショ
ア速度は飽和状態）。i 層の厚いフォトダイオードの帯域は
ンで示すように、光子寿命が短い場合（低減衰）、動作バ
キャリア走行時間により制限され、受光径を小型化しても
イアス電流での帯域は広がるが、EO 応答のピーキングが
大きく広がることはない。小型のフォトダイオードでもよ
増大しアイパターンに大きなオーバーシュートとジッタが
い場合は、i 層を薄くして帯域を広げることができる。
生じる。光子寿命を延ばすとオーバーシュートおよびジッ
タは低減するが、延ばし過ぎると帯域が不足しアイパター
フォトダイオードの応答性は i 層の厚さに依存するが、
図 2（b）に示すように、比較的薄い i 層であっても受光感
度は許容範囲にある。
ンが垂直方向に閉じてしまう。
さらに、デバイス構造の設計においては VCSEL の寄生
成分に十分注意を払わなければならない。帯域を制限する
今回の開発においては、図 2（a）の楕円の影付き部分内
もしくはその近傍が最適条件と考えられる。
のは主に、酸化狭窄径によって決まる抵抗と酸化物容量の
抵抗－容量時定数で、これを最小化する必要がある。その
ためにも酸化狭窄径を過度に絞ることなく、酸化物容量を
24
効果的に低減するような設計にするべきである。
3dB帯域（GHz）
22
20
2
12
10
8
6
0
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
フォトダイオード径（µm）
-1
（a）フォトダイオード帯域のシミュレーション
-2
0.7
-3
0.65
短い光子寿命
中程度の光子寿命
長い光子寿命
-4
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
受光感度（A/W）
EO応答（dB）
L=1.6µm
L=2µm
L=2.4µm
L=3µm
L=4µm
16
14
1
-5
最適条件
18
変調周波数（GHz）
0.6
モデル
実測データ
0.55
0.5
0.45
1.6
2
2.4
2.8
3.2
3.6
4
i層の厚さ（µm）
（b）フォトダイオード受光感度に関するシミュレーションと実測データ
短い光子寿命
図 2　フォトダイオード帯域（a）と受光感度（b）
中程度の光子寿命
長い光子寿命
図 1　EO 応答のシミュレーション（上）および 25Gbit/s における
（フィルタ通過後）アイパターン（下）
3.　デバイス特性
3 − 1　VCSEL 帯域およびバイアス電流に対する緩和振
動周波数
2 −1 節に概要を述べた検討に基づいて VCSEL
を作製した。この VCSEL は現在製造中である 10Gbit/s
−（ 66 ）− 超高速マルチモードファイバ通信用面発光レーザ、フォトダイオード
VCSEL の速度を大きく上回る。今回開発した VCSEL では、
バイアス電流に対する緩和振動周波数の伸びる割合が、各
温度でより大きくなる（図 3（b））。帯域が広がるだけでな
く、25 ℃、85 ℃における差を最小に出来た（図 3（a）
）
。今
回のレーザの 25 ℃、85 ℃における EO 応答を図 4 に示す。
40GHz 高周波プロー
3 − 2　VCSEL のアイパターン
ブとパルスパターン発生器、40GHz バイアスティーを用
いて、開発した VCSEL を伝送速度 28Gbit/s まで評価した。
VCSEL の光出力は先球ファイバを介して光ファイバに接
続した。アイパターンは、20GHz の帯域を持つサンプリ
（a） 20
18
ングオシロスコープで取り込んだ。オシロスコープ自体の
3dB帯域（GHz）
16
高周波特性による補正は行っていない。
14
図 5 に 25 ℃、85 ℃における擬似ランダム信号（PRBS31
12
10
（Pseudorandom Binary Sequence 31））での 25Gbit/s、
8
28Gbit/s のアイパターンを示す。バイアス電流は 25 ℃で
6
2
0
8mA、85 ℃で 9mA である。
10Gbps VCSEL、25℃
10Gbps VCSEL、85℃
25Gbps 設計、25℃
25Gbps 設計、85℃
4
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
バイアス電流（mA）
（b）
20
10G 25C 実測データ
10G 25C 近似線
10G 85C 実測データ
10G 85C 近似線
25G 25C 実測データ
25G 25C 近似線
25G 85C 実測データ
25G 85C 近似線
緩和振動周波数（GHz）
18
16
14
12
10
8
6
(a) 25Gbit/s, 25℃, 8mA
(b) 25Gbit/s, 85℃, 9mA
(c) 28Gbit/s, 25℃, 8mA
(d) 28Gbit/s, 85℃, 9mA
4
2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
(I-Ith)1/2
図 3　帯域（a）と緩和振動周波数（b）
図 5　25Gbit/s、28Gbit/s での VCSEL のアイパターン
6
バイアス電流
EO応答（dB）
3
2mA
3mA
4mA
5mA
6mA
8mA
10mA
12mA
0
-3
-6
-9
-12
-15
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
は 10Gbit/s VCSEL と酸化狭窄径、酸化層仕様が同じであ
るため、スペクトルおよびスペクトル幅も 10Gbit/s VCSEL
20
周波数（GHz）
0.6
バイアス電流
EO応答（dB）
3
2mA
3mA
4mA
5mA
6mA
8mA
10mA
12mA
0
-3
-6
-9
-12
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
周波数（GHz）
図 4　開発 VCSEL の 25 ℃（上）、85 ℃（下）における EO 応答
スペクトル幅（nm）
6
-15
今回開発した VCSEL
3 − 3　VCSEL のスペクトル幅
サンプル Ach1_ 25C
サンプル Ach1_ 85C
サンプル Ach3_ 25C
サンプル Ach3_ 85C
サンプル Bch1_ 25C
サンプル Bch1_ 85C
サンプル Bch3_ 25C
サンプル Bch3_ 85C
IEEE 802.3ae規格
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
バイアス電流（mA）
図 6　開発した VCSEL のスペクトル幅
2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 67 ）−
と同じになる。
85 ℃においてバイアス電流を変化させ、2 個の 1 × 4 アレ
1E-4
イ A、B のサンプルで測定した。各温度におけるおおよそ
1E-5
BER
の動作バイアス電流範囲を 2 本の縦の点線で示す。
3 − 4　フォトダイオード動作検証
PRBA31 B2B
PRBS7 B2B
PRBS31 50m OM3
PRBS7 50m OM3
PRBS31 100m OM3
PRBS7 100m OM3
PRBS31 200m OM3
PRBS7 200m OM3
1E-3
図 6 にスペクトル幅のバイアス電流依存性を示す。25 ℃、
フォトダイオー
ド の 25Gbit/s 動 作 検 証 に は TIA（ Trans-Impedance
Amplifier）を用い、OE ※ 4 アイパターンを直接測定した。
図 7 に 25Gbit/s の PRBS31 の電気出力アイパターンを示
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
1E-14
-13
す。これは現在市販されている二社の TIA とフォトダイ
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
OMA (dBm)
オードをワイヤボンディングして測定したものである。測
定の光源には今回開発した VCSEL をパルスパターン発生
PRBS31 B2B
PRBS7 B2B
PRBS31 50m OM3
PRBS7 50m OM3
PRBS31 200m OM3
PRBS7 200m OM3
1E-3
器で駆動したものを使用した。
BER
1E-4
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
1E-9
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
1E-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
OMA (dBm)
（a）A社のTIA
（b）B社のTIA
図 7　35µm フォトダイオードを使用して測定した TIA の
出力アイパターン
3 − 5　光ファイバ使用時の感度および性能
開発した
VCSEL とフォトダイオードの、伝送速度 25Gbit/s におけ
るリンクバジェットの評価を実施した。評価の構成は送信
側は VCSEL の駆動にはパルスパターン発生器を用い、受信
図 8　受光径 25µm フォトダイオード（上）および 35µm フォトダイ
オード（下）の 25Gbit/s BER 曲線
4.　EDR での性能実証
この開発技術をより現実的な使用条件で実証するため
に、プリント基板上に VCSEL ドライバ IC と TIA-IC を搭
載し、EDR ケーブルを作製した（図 9）。高周波域での性
側は 25GHz 対応 TIA と共に評価プリント基板上に実装し
た。受信側のフォトダイオードの受光径は 25µm、35µm の
二種類を評価を行った。VCSEL からの出力光は先球ファイ
バを用い、フォトダイオードに接続した。測定項目は back
to back（送信機と受信機を直結させた状態）の感度および、
電気ソケット
住友電工850nm 25Gb/s
VCSEL・フォトダイオード
4TX, 4RX
4
4TX, 4RX
X
種々の長さの OM3 ファイバを通過させた時の受信感度であ
プラガブル
光送受信器
る。パターン依存度の確認として、PRBS7、PRBS31、2 種
類のパターンを使用した。結果を図 8 に示す。
図 8（a）と図 8（b）の BER（Bit Error Ratio）曲線を比
1方向あたり4レーン
1レーンあたり25Gbps
最長100m
較すると、受光径 25µm と 35µm のフォトダイオードの性
電気ソケット
プラガブル
光送受信器
Q SF
P28
能は同等であることがわかる。両方の検出器とも back to
back の 受 信 感 度 （ BER ＝ 10 - 1 2 ） が 、 OMA（ Optical
Modulation Amplitude）値で-8dBm より優れている。
50m の OM3 ファイバでは、モード分散と波長分散による
リンクペナルティはほとんど無視できる。200m の OM3
接続においても PRBS31 に対して約-5dBm の OMA 感度で
エラーフリー動作を達成した。最悪値パターン依存性は約
1dB である。
図 9　EDR ケーブルのブロック図（上）、インフィニバンド AOC（下）
−（ 68 ）− 超高速マルチモードファイバ通信用面発光レーザ、フォトダイオード
能を確保するために、通常のプリント基板 FR-4 を基材と
の OM3 マルチモード光ファイバケーブルを使用し、ドラ
し、高速伝送部にはパナソニックのメグトロン 6-R5775 を
イバ、TIA の IC を組み合わせて、伝送速度 25.8Gbit/s で
使用した。VCSEL、フォトダイオードのそれぞれのドライ
PRBS31 に対してエラーフリー動作（BER ＜ 10 -15）を達
バと TIA の接続にはワイヤボンディングを使用した。50m
成した。図 10（a）に EDR ケーブルの試験系を示す。受信
器出力アイパターン（PRBS31）のマスクマージン値はイ
ンフィニバンドマスク（図 10（b））に対して 40 ％以上で
ある。J9 ジッタ ※ 5 は 0.51mUI。伝送速度を 28.05Gbit/s
（32GFC ※ 6 の速度）に上げても、PRBS31 のアイパターン
EDR準拠基板
送信側
は良好でありジッタも小さい（図 10（c））。28.05Gbit/s の
速度でも PRBS31 に対してエラーフリー動作を達成した。
今回作成した EDR ケーブルは OFC2013 にて動態展示を
パルスパターン
発生器
実施した（写真 1）。
クロック
50m
マルチモード
光ファイバ
エラー検知器
オシロスコープ
で表示した
アイパターン
5.　結　言
本論文では次世代高速 VCSEL とフォトダイオードの開
発状況について報告した。開発した VCSEL およびフォト
EDR評価基板
受信側
（a）EDRケーブル試験系
ダイオードは 25 ～ 28Gbit/s での動作が可能で、この伝送
速度でマルチモード光ファイバリンクにも適用可能である
ことを実証した。
本 研 究 に 際 し て 、 デ バ イ ス の 作 製 に 関 し て SEDU
（Sumitomo Electric Device Innovations U.S.A. Inc.）
の VCSEL 製造工場（米国ニューメキシコ州アルバカーキ）
に、伝送試験用 EDR の組み立てに関して SEDU の送受信
機設計グループ（米国カリフォルニア州サンノゼ）に協力
いただいた。特に、Sanh Luong 氏にはフォトダイオード
（b）25.8Gbit/s受信器出力アイパターン
（c）28.05Gbit/s受信器出力アイパターン
のサンプル作製を、Edwin Loy 氏には EDR ケーブルの組
み立てを担当いただいた。
図 10　EDR ケーブルの電気アイパターン
注）本論文は、英文原稿を編集委員会にて日本語訳したものである。
用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー
※1
EDR
Enhanced Data Rate（InfiniBand）。
※2
OM3
コア径 50µm のマルチモードファイバ w、帯域が広く、主
に 10Gbit/s 伝送用に使用される。
※3
Infiniband
HPC（High performance Computing）で使用される
サーバ間通信技術。
※4
写真 1　OFC2013 での動態展示の様子
OE
Optical to Electrical。
2 0 1 3 年 7 月・ S E I テ クニ カ ル レ ビ ュ ー ・ 第 1 8 3 号 −（ 69 ）−
※5
J9 ジッタ
Infiniband の伝送品質の一つ、伝送誤り率 2.5 × 10-10 相
当のトータルジッタ量。
※6
執　筆　者 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Chuan XIE ＊： Ph. D, Senior Staff Scientist, R&D,
Sumitomo Electric Device Innovations
U.S.A., Inc.
32GFC
Fiber Channel、ストレージ系に使用される通信技術、現
在は 1GFC、2GFC、4GFC、8GFC が運用開始されており、
Jiaxi KAN
16GFC は運用準備段階、32G は次世代ネットワークの伝
： Ph. D, Senior Staff Scientist, R&D, Sumitomo Electric Device Innovations
U.S.A., Inc.
送速度（28Gbit/s）。
Shenghong HUANG
： Ph. D, Staff Scientist,
Sumitomo Electric Device Innovations
U.S.A., Inc.
参　考　文　献
（1） http://www.infinibandta.org/content/pages.php?pg=technology
_overview
Li WANG
： PhD, Staff Scientist R&D,
Sumitomo Electric Device Innovations
U.S.A., Inc.
Neinyi LI
： Ph. D, Senior Director,
VCSEL FAB & Development, Sumitomo
Electric Device Innovations U.S.A., Inc.
（2） Xie, C., Li, N., Huang, S., Liu, C., and Jackson, K. P.,“ The Next
Generation High Data Rate VCSEL Development at SEDU,”Proc.
SPIE 8639 863902（2013）
（3） Xie, C., Li, N., Brow, P., Jackson, K. P.,“Turbocharging VCSELs,”
Compound Semiconductor, 42-47（October 2012）
（4） Li, N., Xie, C., Luo, W., Helms, C. J., Wang, L., Liu, C., Sun, Q., Huang,
S., Lei, C., Jackson, K. P., and Carson, R. F.,“ Emcore’ s 1Gb/s to
25Gb/s VCSELs,”Proc. SPIE 8276 827603（2012）
（5） Graham, L. A., Chen, H., Gazula, D., Gray, T., Guenter, J. K., Hawkins,
B., Johnson, R., Kocot, C., MacInnes, A., N., Landry, G. D., and
Tatum, J. A.,“The next generation of high speed VCSELs at
Finisar,”Proc. SPIE 8276 827602（2012）
Chan Chih CHEN
： Senior Director, Module Design,
Sumitomo Electric Device Innovations
U.S.A., Inc.
稲 野 滋 ： Vice President,
VCSEL Technology, Sumitomo Electric
Device Innovations U.S.A., Inc.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------＊主執筆者
−（ 70 ）− 超高速マルチモードファイバ通信用面発光レーザ、フォトダイオード