直接変調されたワット級フォトニッククリスタル面発光レーザーによる高速高出力自由空間光通信

2024-07-24 Wed
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高速大功率自由空间光通信：瓦特级光子晶体表面发射激光器の直接変調背景紹介半導体レーザーは、光通信の重要な光源として、小型、低コスト、長寿命、高効率などの特徴から広く応用されています。例えば、垂直共振器面発光レーザー（VCSELs）は、その低消費電力と広帯域直接変調能力のため、データセンターの短距離光インターコネクションに適しています。一方、分布帰還（DFB）レーザーはその単一モード動作特性により、長距離光ファイバ通信で広く用いられています。近年、半導体レーザーを利用した自由空間光通信（FSO）が長距離で高速に伝送でき、光ファイバを必要としないため、注目を集めています。FSO技術は、5Gと未来の6G通信におけるバックホールおよびフロントホールネットワーク、衛星間通信、深宇宙通信などに潜在的な応用があります。これらの応用において、高出力および狭ビーム幅のレーザー特性が特に重要です。しかし、従来の半導体レーザーであるVCSELsやDFBレーザーは単一チップ上で高出力と高速動作の要件を同時に満たすことができません。
光子晶体表面発射レーザー（PCSELs）に基づくソリューションは、これらの問題を解決できます。PCSELsは2次元光子晶体の共振点を利用することで、大面積の単一モード動作を実現し、高出力と狭ビーム幅を同時に達成できます。このレーザーの高出力と狭ビーム幅は、自由空間光通信において非常に有望であり、従来の光送信機とは異なり、複雑な光ファイバ増幅器やレンズ光学システムを必要としません。
論文の出典この研究は、京都大学、東北大学およびKDDI研究所などの複数の研究機関に所属するRyohei Moritaおよびその共著者によって行われました。この研究は2024年7月の《Optica》誌に発表されました。
研究の詳細研究プロセス設計および周波数応答の計算：
デバイス設計：まず、研究チームは高出力と高速直接変調を同時に実現できるPCSELを設計しました。ワット級PCSELの本質（光学的）および寄生（電気的）周波数応答を計算することで、研究チームは大面積レーザー領域での数GHzレベルの直接変調が実行可能であることを示しました。
数値計算：研究チームは三次元結合波理論とキャリアおよび熱効果の総合的な考慮を使用して、入力電流、出力光パワーおよびその対応する周波数応答などの特性を計算しました。
デバイスの制作および実験検証：
デバイス制作：計算結果に基づき、研究チームは直径500µmのPCSELを制作し、ワット級の連続波（CW）動作および数GHzレベルの直接変調を実現しました。
実験検証：実験により周波数応答特性を検証し、自由空間伝送の実験を行いました。このPCSELを使用して10Gbps以上の高速伝送を実現し、発射レンズを用いずに仮想5km級の長距離伝送を実現しました。
周波数応答の詳細：
電気的特性：PCSELの周波数応答は、本質的および寄生的な電気的特性を含みます。本質的な周波数応答はレーザーの緩和振動特性によって決まり、寄生的な周波数応答は配線およびはんだ付けによるRC回路の特性によって決まります。数値計算によりこれら二つの周波数応答を計算し、それによって高周波変調を実現するための設計を最適化しました。
主な実験結果ワット級の出力および周波数応答の実現：
実験において、直径500µmのPCSELは、3Aの電流注入でワット級の光出力を実現し、3GHzを超える変調帯域幅を達成しました。
試験中、遠距離の光ビームパターンは、このPCSELが狭いビーム幅、単一モード動作の特性を有し、ビーム拡散角が非常に小さいことを示しました。これは、自由空間伝送において優れた光学的パフォーマンスを示すものです。
高速光通信実験：
自由空間伝送実験において、研究チームは直接変調されたワット級PCSELを使用して10Gbps以上の高速伝送を行い、64QAM信号の変調を通じて、仮想5km長距離伝送を実現しました。
実験結果は、高速変調と高出力出力の組み合わせにより、追加の増幅器やレンズを必要とせずに効率的な自由空間光通信が実現することを示しています。
結論と価値本研究は、数値計算、デバイス設計、制作および実験検証を通じて、高出力および高速直接変調条件下で光子晶体表面発射レーザーの優れた性能を示しました。具体的には、研究チームはワット級出力および数GHz変調帯域幅を有するPCSELを設計し、実験によりその自由空間光通信における実用価値を検証しました。
PCSELの高出力と狭ビーム幅特性は、長距離FSO通信において独自の利点を有します。また、複雑な光学システムや光ファイバ増幅器を必要としないという特徴から、光通信において広範な応用前景を有しています。その上、PCSELはその大キャビティサイズにより、狭線幅動作の潜在的可能性を有し、将来のコヒーレント光通信においても重要な応用価値があります。
研究のハイライト高出力と高速変調の組み合わせ：この研究は、PCSELsがワット級出力および数GHz高速変調下で卓越した性能を発揮することを示し、光通信技術に新たな可能性を提供しました。
簡略化された光通信システム：複雑な光ファイバ増幅器やレンズシステムを必要とせず、より簡単で効率的な光通信を実現し、将来の光通信デバイスがより小型化および省エネルギー化を可能にしました。
長距離伝送の可能性：実験では、5km以上の距離を仮想シミュレーションで成功させ、ワット級PCSELが長距離光通信において実現可能であることを証明しました。
その他有価な情報研究は、レーザーの発射領域をさらに拡大し、デバイス構造および冷却性能を改善することで、より高い出力およびより広い変調帯域幅を実現できる可能性を示しています。また、PCSELsはその大キャビティ量により、将来のコヒーレント光通信にも重要な応用価値を持つ潜在性があります。この研究は、大出力および高速の条件下でPCSELsの卓越した性能を示すだけでなく、今後より複雑で遠距離の光通信技術の方向性を示しています。