04/28/2004

TOPICS-04007

光ワイヤレス通信用デバイス

当記事は、財団法人光産業技術振興協会（OITDA)のご好意によって掲載の許可をいただいたものであり、同協会のホームページならびに機関誌「オプトニューズ」に掲載されています。

1．はじめに

光通信デバイスの開発は、従来主に石英系ファイバ通信に適用することを想定して行われてきた。しかし、光ワイヤレス通信を行おうとする場合は、異なる観点でのデバイス性能が求められ、既存の光デバイスでは対応できない局面もある。光空間伝送応用に向けた技術要件を明確にし、デバイス開発者に提示して行くことが必要である。調査委員会活動では、光ワイヤレス通信用デバイスとして、高速赤外発光ダイオード(LED)、スーパールミネセントダイオード(SLD)、面発光レーザ、高出力半導体レーザと、空間伝送用の各種受光素子、および光空間伝送を行う上での光制御デバイスとなり得る半導体光増幅器、石英系平面光回路(PLC)、光マイクロマシン(MEMS)、マイクロ波フォトニクスデバイス等について調査を行った。

本稿では、紙数の都合上、LED、SLD、面発光レーザ、受光素子に絞って紹介する。

2．高速・高出力LED、 SLD

光空間伝送用発光素子への要求事項は、通信距離、伝送速度、通信方式など、その使われ方により相違はあるが、概ね以下の項目になる。

�@ 高出力：発光出力が高いこと
�A 高速動作：カットオフ周波数が高く、応答速度が速いこと
�B 人体への安全性：アイセーフティを考慮してあること
�C 良好な温度特性：周囲の温度変動に対し出力変化が少ないこと
�D 光出力の直線性：電流?出力特性においてリニアリティが高いこと
�E 低コスト
�F 高信頼性

大容量での光空間伝送を行うためには、その中でも高出力化、高速化が必須となる。発光素子として半導体レーザ(LD)を選定するとすれば、これらの問題は比較的容易に解決できるが、アイセーフティに配慮が必要となり、コストにおいても現行LEDに比較し不利である。これに対し、LEDは高出力化及び高速化を実現できれば、他の問題に関してはLDより有利なため、光空間伝送において有力なデバイスとなる。しかしLEDはLDと違い自然放出光を利用しているため、この高出力化と高速化にはトレードオフの関係がある。

LED高速化へのアプローチとしては、

�@ 発光再結合定数の大きな材料系の選定
�A 活性層の高不純物密度化
�B 活性層膜厚の薄層化
�C 高バイアス電流化

が挙げられる。その他、非発光再結合速度の増大を図る方法もあるが、発光出力の低下を招き、光空間伝送用としては不適である。�@は化合物半導体材料系によりほぼ決まっており、活性層組成及び歪により異なるが、GaAs系より長波長で発光するInGaAsP系の方が大きい値を有する。通信に用いる波長が決まれば自ずと材料系も限定されるが、Si系の受光素子で考えた場合、AlGa(In)As系が選定されることが多く、発光再結合定数も限定される。�Aは活性層への不純物添加量を高めることにより高速性を上げるやり方で、一般的にp型不純物として亜鉛が用いられているが、さらに高い1020 cm-3オーダまで高めるために炭素を用いる場合もある。その場合、LEDでもGHzオーダまで動作するが、非発光再結合の増大により発光出力はかなり低下してしまう。�Bは活性層の膜厚を薄くすることにより高速化するもので、デバイス構造もホモ、シングルへテロ構造よりダブルへテロ構造が採用されており、バルク活性層よりもさらに薄い量子井戸構造を用いることも高速化には有効な方法となっている。�Cは高電流領域で動作させるか、もしくはpn接合面積を縮小することにより高電流密度で動作させることにより高速化するやり方である。特に、不純物密度が低い活性層を用いたLEDでは有効な方法となり得る。

また、光空間伝送用としてLEDを高出力化するためには

�@ LED内部量子効率、発光効率の向上
�A 光取り出し効率の向上
�B 最大定格電流値の増強
�C 発熱の低減と放熱
�D 非発光再結合の低減

が課題となる。

�@のためには非発光再結合を抑制する必要があり、格子欠陥や意図しない不純物を低減する対策をとると共に、表面や界面での再結合を低減するためにデバイス構造や形状に工夫が必要である。�Aの光取り出し効率は、LEDチップ結晶内部の反射により制限される。外部へ効率よく光を取り出すために、空気より大きな屈折率を持つエポキシ系樹脂が封止に用いられている。計算上、屈折率1.5の樹脂であれば光取り出し効率は約3倍向上する。また、チップ自身からの光取り出し効率を上げるために、発光波長に対して透明となる基板を用いたり、表面改質、ドーム形状などの工夫がなされている。�Bに関連しては、発光面積を広げて注入できる電流値を上げることにより高出力化を図れるが、デバイス容量が周波数応答速度を制限するところにまで至ると高速化に直接悪影響が及ぶ。�Cの発熱はLEDのシリーズ抵抗によるもので、熱抵抗を最小限に抑えるために、ジャンクションダウン実装やヒートシンクなどの放熱対策が重要となる。�Dの非発光再結合は�@の要因以外に、オージェ再結合による非発光過程も無視できず、特にInGaAsP系では大きな障害となっている。

上記の観点を考慮して、光ワイヤレス通信用に開発された赤外LEDの特性例を図1に示す。室温、順方向電流50 mAにおいてピーク発光波長860 nm、半値幅40 nmで発光し、2π積分球強度で25 mWの高出力が得られている。この出力から計算される外部量子効率は、35 %程度に達する。小信号変調特性を図2に示す。バイアス電流50 mAにおいて遮断周波数は70 MHz、さらに高い電流領域では100 MHz近傍まで伸びている。放熱対策によりさらなる向上が可能である。図3は、同じLEDのNRZ直接変調アイパターンである。125 Mb/sでは、良好なアイ開口が観察されており、100 Mb/sの光ワイヤレス通信が可能であることがわかる。さらに、250 Mb/sでもアイはつぶれておらず、高速化駆動回路を採用すれば200 Mb/sの伝送にも対応できる。

図1　電流対光出力・電圧特性	図2　遮断周波数の電流依存性
図3　光ワイヤレス通信用LEDのアイパターン

赤外LEDの遮断周波数と発光出力に関して、従来品から今後の展望をまとめると図4のようになる。従来品では先に述べた高速化と高出力化のトレードオフの傾向が顕著に見られており、遮断周波数が100 MHzであっても出力は5 mW程度と空間伝送に使用するには出力不足であった。しかし新たな結晶成長技術の導入により、今回例示した赤外LEDをはじめ、今後の赤外LEDにも高性能化が期待できる。100 MHzを超える遮断周波数も可能で、パッケージ形状も含めた光取り出し技術の進展によっては30 mW級の高出力化との両立も狙える。今後、光ワイヤレス通信の市場要求が強くなれば、さらに高性能な新規赤外LEDも出現しよう。

図4　光ワイヤレス通信用赤外LEDの展望

一方、LEDのような低コヒーレンス光源でLDと同様な高速動作の可能性を持つ発光素子としてSLDがある。SLDは、光ファイバジャイロ用光源として長年研究されてきたが、通信用素子としての議論は少ない。前述の要件と照らし合わせるといくつかの課題がある。変調帯域はLEDに比べ高速化することは可能であるが、従来のSLD構造では動作電流が大きく、光出力もリニアリティに欠けていた。これらの課題を克服すべく研究開発が行われており、半導体レーザに匹敵する動作電流と、LEDを遥かに越える変調帯域が得られつつある。光ワイヤレス通信用に開発されているSLDの一例を図5に示す。レーザ発振を抑えるために、導波路の一方は端面の垂直方向に対して7°傾斜させている。素子の発光半値幅は光出力が立ち上がると同時に10 nm前後まで減少するが、40 mA以上の注入電流ではほぼ一定値を示す｡電流-光出力特性を図6に示す。従来のSLDに比べ、急峻な立ち上がりと低電流化が実現されている。光出力も、反対側端面での洩れ光に対して出射端面の出力が200 mAにおいて約27倍に高められており、0.6 W/Aの微分量子効率と高いリニアリティが確保されている。

図5　J型SLDの構造概念図

図6　J型SLDの電流対光出力特性

図7は、同SLDにおける遮断周波数の光出力依存性である。変調帯域は、60 mAの注入電流で1 GHzを超えてくる。また、LDでみられる緩和振動のような挙動は観察されず、広い帯域に渡りフラットな特性を示す。光出力の増大と共に帯域が伸びるが、10 mW位から上では飽和傾向にあることがわかる。同SLDにおいてLEDと同様にNRZアイパターン評価を行ったところ、2 Gb/sにおいても十分なアイ開口が得られ、高速な光ワイヤレス通信への適用性が実証された。SLDは、低コヒーレンス光源として、LEDでは達し得ない高速性と高出力を兼ね備えた新しい光源と言える。また、LEDより狭い発光半値幅は、光ワイヤレス通信に波長分割多重(WDM)を導入する際にも有利な特徴といえる。残された課題としては、放熱上LD同様の金属パッケージを必要とする点、光源サイズの小ささからアイセーフティの規制がLEDよりも厳しい点、などが挙げられる。

図7　遮断周波数の光出力依存性

3．面発光レーザ　

面発光レーザは、低閾値化や高効率化が進められ、特に0.85μm帯素子は、光データリンク用光源として広く実用デバイスとなっている。現在実用システムに供されているデバイスは多モードデバイスであり、さらに高速光伝送システムに展開するためには、残された課題として、単一モード化、高速化、などがある。軸対称構造の面発光レーザは、円形状の出射ビームが得られるが、偏波面が定まらないという問題がある。実際の素子では、直線偏光が得られるものの、その方向がランダムであったり、動作電流を変えると偏波スイッチングが起きてしまう。これは、偏光依存性のあるコンポーネントを含む光データリンクに用いる際、大きな過剰雑音を生じてしまう原因となる。また偏光依存性のないシステムにおいても、閾値の異なる二つの偏光モードの存在は、過剰雑音の発生や高速変調特性に影響を及ぼす。

偏波面制御を実現するために、傾斜基板を用いた面発光レーザの研究が行われている。理論的に通常の(100)面の基板から大きく結晶面を傾斜させると、光学異方性が得られ、同時に閾値も低減できる可能性があることが理論的に示された。まず、分子線エピタキシャル(MBE)法を用いて、(311)Ａ面基板上で低閾値の偏波制御面発光レーザが実現された。最近では、量産性に優れる有機金属気相成長法を用いて、(311)Ｂ面基板上に(100)面基板上の素子と同等以上の性能を有し、かつ、偏波面が強固に安定化された素子が実現されるようになった。高速変調時においても安定な偏波制御が可能になり、縦モード、横モード、偏波面の全てを制御した完全単一モードレ?ザが実現されている。また、酸化膜狭窄構造の横モード単一化についても研究が進められ、単一モード条件を緩和する新しい構造や、単一モード出力を増大させる研究が進められている。また、超高速光データリンクを目指した10 Gb/sの高速伝送や1 Gb/sの無バイアス変調による伝送実験が報告され、最大で20 Gb/sの高速変調も達成されている。アレイ化による並列光伝送システム開発も進められている。

また、面発光レーザのアレイ化技術を利用した新しい光ワイヤレス通信システムの提案もなされている。これは、図8に示すように、二次元面発光レーザアレイとレンズを組み合わせることにより、レーザビームの二次元的なビーム掃引を可能にし、比較的狭いビーム広がり角のパワー密度の高いレーザビームを用いながら、それを電気的に高速に掃引することにより、広範囲にわたる空間で光無線通信を可能にするものである。面発光レーザの高速性と低消費電力性を充分に活用することにより、大規模なアレイ化技術によって、1 Gb/sを超える高速光無線通信の可能性もある。図9は、 6×6の二次元面発光レーザアレイを用いた光無線伝送の結果を示している。5 cm程度の短距離ではあるが、視野角10°以上にわたり、光検出器に対して任意の位置で800 Mb/sの高速無線通信の可能性が示された。伝送距離と速度は、面発光レーザアレイの集積規模を拡大することで大幅に増大できる。

図8　面発光レーザアレイを用いる光ワイヤレス通信システム

図9　面発光レーザアレイを用いた800 Mb/s光ワイヤレス通信実験

4.　受光素子

光ワイヤレス通信では、大気揺動によるビームの光軸ずれなどに対処するためビーム追尾機構を持たせるが、大きなコスト要因となるので、ビーム径の拡大や受光素子の大口径化によって追尾機構を不要とするなど、低コスト化の努力がなされている。受光素子の受光面積の増大は、システムマージンの増大に直結し、光学系の設計マージンを増大させる。このような意味から、受光素子に最も求められているのは大口径化である。また、通信容量は常に増大し、500 m伝送距離で１Gb/sのシステムが登場するなど、さらなる受光素子の高速応答化が求められている。しかしながら、受光面積の増大と周波数特性の向上はトレードオフの関係にある。光ワイヤレス通信からの受光素子への本質的要求は、大面積化と高速応答の両立であると言える。

一般的に用いられる受光素子は、PINフォトダイオード(PIN-PD)、プリアンプ付PIN-PD、アバランシェフォトダイオード(APD)などである。シリコンPIN-PDは800 nm〜1000 nmの近赤外に感度を持つ。表１に市販されている光空間通信用PIN-PDの一例を示す。受光面φ1.5 mm〜φ14 mm、RL=50Ω遮断周波数20〜300 MHzの製品がある。最高速タイプでφ1.5 mm、300 MHzの仕様である。また表には掲載していないが、φ3 mmで500 MHz、φ0.4 mmで1.2 GHzという製品もある。また、パッケージ内に広帯域プリアンプを内蔵した製品は、外部ノイズに強いためPIN-PDの検出限界を改善しているが、高周波特性は200 MHz程度である。

表１  市販シリコンPIN-PDの例

PIN-PDの大面積化と高速応答性は本質的にトレードオフにあるため、PIN-PDを用いた高速化には限界がある。そこで、高速性のために各素子を小さく作製し、それらを多数配列したアレイ素子で面積増大を図ることも一案である。基本的な雑音特性は、1素子の基本特性と増幅回路で決まる。しかし、多素子からの信号の時間的な揺らぎ(ジッタ)が雑音成分として加わることになる。また、回路設計の簡便さなどを考慮すると、プリアンプを各素子に付加したプリアンプ付PDアレイが実用的だろう。アレイ化による雑音の影響と対策などが明らかにされれば、光ワイヤレス通信用受光素子としての可能性が出てくる。

Si-PIN-PDを使う場合、検出器自体の雑音レベルは非常に低く、通常は読み出し回路の雑音により検出限界が決定される。この傾向は高周波になればなるほど顕著になる。このような場合、検出器自体に自己増倍作用があれば、検出器から出力される時点で増倍されているため、読み出し回路の雑音寄与分を等価的に増倍率分の1にできる。このように、読み出し回路で決定される検出限界をAPDの増倍率分だけ引き下げられ、PIN-PDの1/10〜1/100に検出限界を下げられる特徴をもつのが、APDである。表２ に市販されているAPDの例を示す。Si-APDは受光面φ1.5、φ3 mm、遮断周波数120、400 MHzの製品がある。受光面φ0.2 mm、1 GHzの製品もある。InGaAs-APDは1.3μmに感度中心を持ち、アイセーフの空間光通信に使える可能性がある。現状はファイバ光通信向けであるため、受光面φ30μm、2 GHzと高速性を追求して開発が行われている。将来は光ワイヤレス通信も視野にはあるが、大面積化の課題は残る。

表２   市販APDの例

その他、光ワイヤレス通信に応用可能な最近の開発例として、コンパクトハイブリッドフォトデテクタ（コンパクトHPD）がある。これは、光電子増倍管に代表される電子管の真空技術と、半導体の使い勝手を融合した受光素子である。図10に原理を示す。コンパクトHPDは、真空中に保持された光電面とAPD素子から構成される。光電面とAPD間に-8 kVの電界を印加し、光照射により発生した光電子を加速してAPD表層に打ち込むことにより、電子打ち込み増倍(イオン化増倍)原象を起こさせ、約1,200倍のゲインを得ることができる。増倍キャリアは、APDに印加された電界により加速され、通常のアバランシェ作用により増倍され50倍のゲインを得て、トータル60,000倍のゲインを得ることが可能になる。電子打ち込み増倍による過剰雑音は、電子のみがキャリアとして用いられるために、そのイオン化率は∞と考えてもよく、ほとんど無視できる。これによりAPDの1,200倍程度のS/Nが可能となる。高周波特性はAPDの接合容量によって決まり、φ3 mm径の場合20 MHｚ、φ1 mm径では200 MHzが得られている。この素子の特徴は、受光部である光電面と最終素子であるAPDを別々に設計できることである。単純に考えれば、高周波特性はAPDで決定され、量子効率と受光面積は光電面で決定されるといえる。つまり、光電面で発生した光電子はエレクトロンビームと捉えることができ、電子レンズなどで収束させることにより、光ビームよりはるかに小さなビームにすることが可能である。したがって、最終感受素子であるAPDの接合面積を極小化できる。つまり、大面積の光電面で光を受け、極小面積のAPDで電流出力を得ることにより、大面積、超高速、高効率の受光素子を実現できる可能性がある。

図10　コンパクトHPDの原理

5.　おわりに

冒頭に述べた通り、本委員会では上記のデバイス以外にも、光ワイヤレス通信に適用可能な光デバイスを多々調査している。宇宙通信やアイセーフティの観点から、長波長帯の高出力半導体レーザが光空間伝送に用いられてくると予測されるが、特に1400 nm台のレーザはファイバアンプ励起用に高出力化が進んでおり、単体で2 Wを超える出力も報告されている。他方、単一モードで動作する分布帰還型(DFB)レーザの高出力化も進んでおり、100〜200 mWの出力は比較的無理なく出せる状況で、中にはチップ出力500 mWという報告もある。これらと並行して、長波長帯半導体光アンプも開発が進められており、従来の弱点であった偏波依存性、飽和出力、非線形性が解消されつつある。今後空間光伝送の様々な局面で利用できる可能性がある。

光ファイバ通信用に開発されている受動部品が光空間伝送に利用できる可能性もある。特に、石英ガラス平面光回路(PLC)合分波器・アレイ導波路格子・光スイッチは昨今非常に進歩しており、活用しない理由はない。また光ネットワーク向けに開発されたMEMS光スイッチは、むしろ空間光処理に高いポテンシャルを有すると考えられるので、積極的に応用すべきであろう。これらデバイスの詳細については、報告書（1)を参照願いたい。

【著者： 中野　義昭    東京大学】

参考文献：

報告書（１） 光技術応用システムのフィージビリティ調査報告書XXIII ─光ワイヤレス通信技術─  光産業技術振興協会  2003年3月