(57)【要約】【課題】最初の光パルス以外の光信号を減衰させた光トリガーパルスを生成することができる光トリガーパルス発生器及びそれを用いたラベル処理器を提供する。【解決手段】ＳＯＡ２５３とＳＯＡ２５３を駆動するＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１とを用いて、着信した光パケット１０の最初の光パルスを、ＳＯＡ２５３のゲインピークに合わせて増幅して、光トリガーパルスを生成する光トリガーパルス発生器において、所定の閾値より高いエネルギーを持つ光パケット１０の最初の光パルスを通過させると共に、所定の閾値に達していないエネルギーを持つ光信号をブロックする光整流素子５２を、ＳＯＡ２５３の出力側に接続した。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光増幅器と前記半導体光増幅器を駆動する回路とを用いて、着信した光パケットの最初の光パルスを、前記半導体光増幅器のゲインピークに合わせて増幅して、光トリガーパルスを生成する光トリガーパルス発生器において、
所定の閾値より高いエネルギーを持つ前記最初の光パルスを通過させると共に、前記所定の閾値に達していないエネルギーを持つ光信号をブロックする光整流素子を、前記半導体光増幅器の出力側に接続した
ことを特徴とする光トリガーパルス発生器。
【請求項２】
請求項１に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記光整流素子は、非線形光学物質で形成された方向性結合器からなり、前記所定の閾値より高いエネルギーを持つ前記最初の光パルスを一方の出力ポートへ出力すると共に、前記所定の閾値に達していないエネルギーを持つ光信号を他方の出力ポートへ出力する
ことを特徴とする光トリガーパルス発生器。
【請求項３】
請求項２に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記方向性結合器の結合領域における一方の光導波路を他方の光導波路と相対的に熱調整するか、又は、前記結合領域における２本の光導波路を一緒に熱調整するヒータを設けた
ことを特徴とする光トリガーパルス発生器。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の光トリガーパルス発生器において、
前記光パケットを２つに分波する光分波器と、
分波された一方の光パケットを受光して、前記半導体光増幅器を駆動する前記回路と、
分波された他方の光パケットが入力されると共に、アノード端子に電圧が印加され、カソード端子が前記回路の出力側に接続された前記半導体光増幅器と、
一端が前記半導体光増幅器のアノード端子に接続され、他端が接地されたキャパシタと、
前記他方の光パケットの最初の光パルスが前記半導体光増幅器の前記ゲインピークに合わせて入力されるように調整された光伝送線と
を有し、
前記回路は、
分波された一方の光パケットを受光して、１つの電気パルスを生成するトリガー回路と、
ソース端子が接地され、ゲート端子が前記トリガー回路の出力側に接続され、ドレイン端子が前記半導体光増幅器の前記カソード端子に接続され、前記電気パルスが入力されるとオンになり、前記半導体光増幅器を駆動するトランジスタと、
を有する
ことを特徴とする光トリガーパルス発生器。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の光トリガーパルス発生器を用いて、前記光パケットのラベルを抽出し、識別するラベル処理を行う
ことを特徴とするラベル処理器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光トリガーパルス発生器及びそれを用いた光パケット交換のためのラベル処理器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光パケットを光の状態のまま、光パケット単位で高速に転送する技術である光パケット交換技術においては、光パケットのペイロードは光のままで、ラベルのみ高速に処理を行うラベル処理器（ＬＰ;Label Processor）が必要とされる。
【０００３】
本発明者等は、以前、プリアンブルなしの光パケットを処理するためのバーストモードのＬＰを開発した。このＬＰでは、動作のために光トリガーパルスを必要とする特殊なシリアル−パラレル変換器（ＳＰＣ; Serial-to-Parallel Convertor）を使用している。このような光トリガーパルスは、光トリガーパルス発生器（ＴＰＧ;Trigger Pulse Generator）と呼ばれる装置によって生成される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Salah Ibrahim, Tatsushi Nakahara, Hiroshi Ishikawa, and Ryo Takahashi, "Burst-mode optical label processor with ultralow power consumption", OPTICS EXPRESS, 2016年4月4日, vol. 24, no. 7, pp. 6985-6995
【非特許文献２】Stephen M. Jensen, "The Nonlinear Coherent Coupler", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 1982年10月, vol. QE-18, no. 10, pp. 1580-1583
【非特許文献３】Lian-Wee Luo, Salah Ibrahim, Arthur Nitkowski, Zhi Ding, Carl B. Poitras, S. J. Ben Yoo, Michal Lipson, "High bandwidth on-chip silicon photonic interleaver", OPTICS EXPRESS, 2010年10月25日, vol. 18, no. 22, pp. 23079-23087
【非特許文献４】C. Koos, P. Vorreau, T. Vallaitis, P. Dumon, W. Bogaerts, R. Baets, B. Esembeson, I. Biaggio, T. Michinobu, F. Diederich, W. Freude and J. Leuthold, "All-optical high-speed signal processing with silicon-organic hybrid slot waveguides", NATURE PHOTONICS, 2009年4月, vol. 3, pp. 216-219
【非特許文献５】Abha Aggarwal and Hardeep Singh, "Analysis of the Effect of Coupling Coefficient in a Nonlinear Directional Coupler based on Cross-Phase Modulation", International Journal for Innovative Research in Science & Technology, 2015年5月, vol. 1, pp. 406-412
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者等が以前考案したＴＰＧ（非特許文献１参照）は、電力消費が非常に少なく低遅延であることを特徴としているが、対処すべき以下の２つの問題がある。
【０００６】
１）着信した光パケットに対して、複数の光パルスが生成されている場合、光クロックトランジスタアレイ（ＯＣＴＡ;Optically Clocked Transistor Array）の動作要求を満たすために、ＴＰＧによって１つの光トリガーパルス（最初の光パルス）だけが生成されるようにする必要があり、トリガーされたＳＰＣの動作が行われないように、２番目以降の光パルスの振幅を大幅に削減するよう最終的に動作条件を調節する必要があること。
【０００７】
２）着信した光パケットの「１」と「０」のビットの消光比が十分でない場合、ＴＰＧによって生成される光パルスが不完全で、ＳＰＣでの使用に適さない可能性があること。
【０００８】
以上の問題のため、最初の光パルス以外の光信号の減衰が十分でない場合には、ＬＰの動作を悪化させるおそれがあった。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、最初の光パルス以外の光信号を減衰させた光トリガーパルスを生成することができる光トリガーパルス発生器及びそれを用いたラベル処理器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の問題に対処するため、ＴＰＧの出力に光整流素子（光閾値素子）を追加する。この光整流素子では、ＴＰＧで生成された最初の光パルスが十分な振幅（エネルギー）を持っている場合は通過し、ＴＰＧで生成された光信号（光パルス又は雑音）のうち、振幅（エネルギー）が閾値に達していないものはブロックされる。そのため、最初の光パルスとその他の光信号との強度差をとることが可能となる。
【００１１】
更に、本発明は、光整流素子の好適な例として、非線形光学物質で形成された方向性結合器を使用する。最初の光パルスの振幅を削減しないで維持することはＳＰＣの動作にとって有益であるが、挿入損失の少ない光整流素子を実現することは容易ではない。光整流素子にはさまざまな実現方法が考えられるが、その中で、非線形光学物質で形成された方向性結合器では、伝播する光パルスのエネルギーに基づいて、１）ＴＰＧによって生成された最初の高エネルギーの光パルスが１つの出力ポートに転送され、２）ＴＰＧからのその他の全ての低エネルギーの光出力がもう１つの出力ポートに転送されるように、方向性結合器の屈折率が変更される。この方向性結合器では、高エネルギーの光パルスが分離され、ＳＰＣを効率的にトリガーするのに使用される。方向性結合器の挿入損失が理論的にゼロであるという事実に基づき、このアプローチによって損失の少ない光整流素子を実現することができる。
【００１２】
従って、本発明は、以下の構成を特徴としている。
【００１３】
上記課題を解決する第１の発明に係る光トリガーパルス発生器は、
半導体光増幅器と前記半導体光増幅器を駆動する回路とを用いて、着信した光パケットの最初の光パルスを、前記半導体光増幅器のゲインピークに合わせて増幅して、光トリガーパルスを生成する光トリガーパルス発生器において、
所定の閾値より高いエネルギーを持つ前記最初の光パルスを通過させると共に、前記所定の閾値に達していないエネルギーを持つ光信号をブロックする光整流素子を、前記半導体光増幅器の出力側に接続した
ことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する第２の発明に係る光トリガーパルス発生器は、
上記第１の発明に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記光整流素子は、非線形光学物質で形成された方向性結合器からなり、前記所定の閾値より高いエネルギーを持つ前記最初の光パルスを一方の出力ポートへ出力すると共に、前記所定の閾値に達していないエネルギーを持つ光信号を他方の出力ポートへ出力する
ことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する第３の発明に係る光トリガーパルス発生器は、
上記第２の発明に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記方向性結合器の結合領域における一方の光導波路を他方の光導波路と相対的に熱調整するか、又は、前記結合領域における２本の光導波路を一緒に熱調整するヒータを設けた
ことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する第４の発明に係る光トリガーパルス発生器は、
上記第１〜第３のいずれか１つの発明に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記光パケットを２つに分波する光分波器と、
分波された一方の光パケットを受光して、前記半導体光増幅器を駆動する前記回路と、
分波された他方の光パケットが入力されると共に、アノード端子に電圧が印加され、カソード端子が前記回路の出力側に接続された前記半導体光増幅器と、
一端が前記半導体光増幅器のアノード端子に接続され、他端が接地されたキャパシタと、
前記他方の光パケットの最初の光パルスが前記半導体光増幅器の前記ゲインピークに合わせて入力されるように調整された光伝送線と
を有し、
前記回路は、
分波された一方の光パケットを受光して、１つの電気パルスを生成するトリガー回路と、
ソース端子が接地され、ゲート端子が前記トリガー回路の出力側に接続され、ドレイン端子が前記半導体光増幅器の前記カソード端子に接続され、前記電気パルスが入力されるとオンになり、前記半導体光増幅器を駆動するトランジスタと、
を有する
ことを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する第５の発明に係るラベル処理器は、
上記第１〜第４のいずれか１つの発明に記載の光トリガーパルス発生器を用いて、前記光パケットのラベルを抽出し、識別するラベル処理を行う
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光トリガーパルス発生器において、半導体光増幅器の出力側に光整流素子を追加することにより、最初の光パルス以外の光信号を減衰させた光トリガーパルスを生成することができる。また、光パケットの「１」と「０」のビットの消光比が十分でない場合でも、最初の光パルス以外の光信号を減衰させた光トリガーパルスを生成することができる。その結果、このような効果を奏する光トリガーパルス発生器及び当該光トリガーパルス発生器を用いたラベル処理器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ラベル処理器（ＬＰ）の構成を示す概略図である。
【図２】光クロックトランジスタアレイ（ＯＣＴＡ）の構成を示す概略図であり、（ａ）は、Ｓ＆Ｈスキームによる構成、（ｂ）は、ＤｏＨスキームによる構成、（ｃ）は、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路の構成である。
【図３】ＤｏＨスキームの使用の比較を示す図であり、（ａ）は、プラス極性を持つＴＬ信号を利用した場合、（ｂ）は、マイナス極性を持つＴＬ信号を利用した場合である。
【図４】（ａ）は、光トリガーパルス発生器（ＴＰＧ）の構成を示す概略図であり、（ｂ）は、光分波器で分離された光パケットを電力で示すグラフであり、（ｃ）は、ＳＯＡの増幅自然放出及びＳＯＡでの増幅後の光パケットを電力で示すグラフである。
【図５】光トリガーパルス発生器（ＴＰＧ）の２つ目の問題を説明する図であって、消光比が十分でない場合の光トリガーパルスを、光クロックトランジスタアレイ（ＯＣＴＡ）のＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路に入射した場合の電気信号を説明する図である。
【図６】本発明に係るラベル処理器（ＬＰ）の構成を示す概略図である。
【図７】本発明に係る光トリガーパルス発生器（ＴＰＧ）の構成を示す概略図である。
【図８】光整流素子の一例を示す図であって、非線形光学物質で形成された方向性結合器を示す図である。
【図９】図８に示した光整流素子の出力の例を示す図である。
【図１０】光トリガーパルスの整流前後を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以降、図面を参照して、従来のＬＰの構成、動作、問題点を説明した上で、本発明に係るＴＰＧ及びＬＰの構成及び動作を説明する。
【００２１】
本発明者等は、光パケット交換（ＯＰＳ;Optical Packet Switching）として知られる光伝送スキームを有効にするため、図１に示す従来のＬＰ２０を開発した。このＬＰ２０では、プリアンブルビットを要求しないで、バーストモードの光パケット１０を効率的に処理することができる。この光パケット１０は、ラベル１１及びペイロード１２からなる。一般的に、ＯＰＳ交換ノードには、マルチポートの光スイッチ４０が含まれ、ＬＰ２０の役割は、光スイッチ４０の各入力ポートで着信する光パケット１０のラベル１１を抽出し、識別することである。識別されたラベル１１に基づいて、電気変換なしで、光ドメインの望ましい出力ポートに光パケット１０を転送できるよう光スイッチ４０が設定される。
【００２２】
ＬＰ２０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）ベースのＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）からなる共有コントローラ２１と、共有コントローラ２１に接続されたラベル抽出器（ＬＥ;Label Extractor）２２と、共有コントローラ２１の前段に配置されたフォトダイオード（ＰＤ；Photodiode）２９とから構成され、ＬＥ２２は、光スイッチ４０のチャンネル数分ある。
【００２３】
ＬＥ２２の各入力ポートでは、着信した光パケット１０の一部は、光分波器ＯＤ１により、ＬＥ２２に振り分けられ、大部分は光スイッチ４０に送出されるが、まず、ラベル処理時間の補正のためにファイバー遅延回線（ＦＤＬ;Fiber Delay Line）２３を通過する。従来のシリアライザ／デシリアライザ（ＳｅｒＤｅｓ;Serializer/Deserializer）では、光パケット１０全体のビットが変換されていたが、ＬＥ２２では光パケット１０のラベル１１だけが処理される。本発明はＬＰ２０のＬＥ２２の部分に関係する。
【００２４】
ラベル１１の高速ビットは、ＴＰＧ２５での処理後、光分波器ＯＤ２により、複数のチャンネルに並行して分割され、その速度はＯＣＴＡ２４で実行される直並列変換により十分に低速化され、チャンネル毎にオフチップコンパレータ２８を介して、共有コントローラ２１に直接ラッチする（信号保持させる）ことが可能になる。オフチップコンパレータ２８では、ＯＣＴＡ２４の各チャンネルから出力される信号のばらつきを調整している。ＬＰ２０で抽出されたラベル１１は、共有コントローラ２１で転送テーブルから検索され、一致したものが見つかると、対応する光スイッチ４０の出力ポートが取得される。この際、光パケット１０は、低速応答を持つＰＤ２９へ入射されており、ＰＤ２９は、光パケット１０が終わらない限り、電気信号（包絡線信号）を発生している。この包絡線信号に基づいて、共有コントローラ２１は、光パケット１０の入射を検出できるようになる。
【００２５】
プリアンブルなし光パケット１０のラベル１１のラベル処理を有効にするため、ＬＥ２２では特別な動作メカニズムを採用しているが、そこで基本となっている２つの要素は、１）光トリガーパルスが供給されたときに動作するバーストモードの直並列変換器であるＯＣＴＡ２４と、２）着信した光パケット１０の最初のビットを選択的に使用して、ＯＣＴＡ２４用の同期された光トリガーパルスを生成するバーストモードのＴＰＧ２５である。
【００２６】
ＯＣＴＡ２４は多数の変換チャンネルで構成される。各チャンネルには、着信した光パケット１０のラベル１１の特定のビットで直並列変換を行うため、１つの光トリガーパルスを供給する必要がある。ＴＰＧ２５によって生成される光トリガーパルスは、ＳＰＣのチャンネルと同数に光分波器ＯＤ２で分割され、分割されたそれぞれにＳＰＣの望ましいビットの到着時間に合わせて加算された時間遅延が複数の遅延線からなる遅延線群ＤＬにより割り当てられ、光学ヘッド２７を介して、ＯＣＴＡ２４へ結合される。ＯＣＴＡ２４の各変換チャンネルにとっては、対応するラベルビットに合わせて、特定のタイミングで光トリガーパルスを照射する必要があり、これらのパルス群をＯＣＴＡ２４へ結合するために光学ヘッド２７が用いられている。
【００２７】
光分波器ＯＤ３で分割されて、着信した光パケット１０に応じて、従来のＴＰＧ２５は１つの光パルスではなく、振幅の低下するいくつかの光パルスを生成する。ＳＰＣが正しく動作するように２番目の光パルスの振幅を大幅に削減するため、動作条件を最終的に調節する必要がある。また、着信した光パケット１０の「１」と「０」のビットの消光比が十分でない場合、ＴＰＧ２５によって生成される光トリガーパルスが不完全で、ＳＰＣでの使用に適さない可能性がある。本発明は、このような問題に対処するもので、こうした欠点を解決するために、後述の光整流素子により、ＴＰＧ２５の出力光である光トリガーパルスのための整流が行われる。
【００２８】
［ＯＣＴＡ］
ここで、ＯＣＴＡ２４の動作メカニズムについて説明する。
【００２９】
図２（ａ）、（ｂ）に、個別の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ;High Electron Mobility Transistor）Ｔｍを通して共通伝送線ＴＬに設置された、いくつかの直並列変換チャンネル２４１、２４２で構成されるモノリシック集積回路であるＯＣＴＡ２４の構成を示す。
【００３０】
図１に示すように、バーストモードのアバランシェ光検出器及びトランスインピーダンス増幅器（ＡＰＤ−ＴＩＡ;Avalanche Photo Detector-Transimpedance Amplifier）２６は、ＬＥ２２の光分波器ＯＤ４で分割された光パケット１０を電気信号に変換するのに使用され、この信号は後にＯＣＴＡ２４へ入力され、その共通伝送線ＴＬにより伝播される。その後、これらの直並列変換チャンネル２４１、２４２を使用して、ラベル１１の各ラベルビットの変換が行われる。個々の光トリガーパルスのタイミングは、共通伝送線ＴＬに割り当てられるビットの存在に合わせて調節され、その光トリガーパルスが各直並列変換チャンネル２４１、２４２に使用されてビットの変換が行われる。
【００３１】
ＯＣＴＡ２４が正しく動作するには、ラベル１１の１つのビットのみを変換するため、高電子移動度トランジスタＴｍが短時間だけオンに切り替えられる必要がある。高電子移動度トランジスタＴｍを制御するための１つの狭い電気パルスを生成するため、図２（ｃ）に示す、放電ベースの金属−半導体−金属光検知器（ＤＢ−ＭＳＭＰＤ;Discharge based-Metal Semiconductor Metal Photo Detector）トリガー回路２４３が使用される。なお、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３については後述する。
【００３２】
例えば、ラベル１１が２５Ｇｂｐｓのビットで構成される場合、高電子移動度トランジスタＴｍを制御するために、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３で生成される電気パルスは、４０ピコ秒よりも十分に小さくなければならない。生成された電気パルスが十分に狭くない場合、ＯＣＴＡ２４の変換チャンネルの出力が必要とされる望ましいラベルビットに対応せず、偽の出力が生成される。
【００３３】
ＯＣＴＡ２４での直並列変換は、当初、図２（ａ）に示すサンプル・ホールド（Ｓ＆Ｈ）スキームによって行われた。このＳ＆Ｈスキームによる直並列変換チャンネル２４１は、共通伝送線ＴＬにドレインが接続され、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３にゲートが接続された高電子移動度トランジスタＴｍと、高電子移動度トランジスタＴｍのソースに一端が接続され、他端が接地されたコンデンサＣholdと、高電子移動度トランジスタＴｍのソースに一端が接続され、他端が出力となるアンプＡｍｐから構成されている。
【００３４】
ここでは、該当するビットレベルに対応する電荷が高電子移動度トランジスタＴｍを通してコンデンサＣholdにサンプリングされる。コンデンサＣholdで発生した電圧の変化はチャンネルの出力を生成するために増幅される。このＳＰＣスキームでは、それぞれ「１」と「０」のビットに対応する電荷のサンプルの差が十分に得られない。
【００３５】
その理由は、Ｃholdが充電し、「１」のビットになる場合、高電子移動度トランジスタＴｍのソース端子Ｓの電圧が増加し、オフに切り替わるためである。また、ビット電圧の一部がターンオン変換チャンネルと並行して存在する共通伝送線ＴＬの特性インピーダンスで消失することは避けられないため、Ｃholdの充電を効率的に行うことはできない。
【００３６】
そのため、Ｓ＆Ｈスキームの代わりに、図２（ｂ）に示す放電又は保持（ＤｏＨ）スキームが使用されるようになった。このＤｏＨスキームによる直並列変換チャンネル２４２は、共通伝送線ＴＬにソースが接続され、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３にゲートが接続された高電子移動度トランジスタＴｍと、高電子移動度トランジスタＴｍのドレインに一端が接続され、他端が接地されたコンデンサＣholdと、高電子移動度トランジスタＴｍのドレインに一端が接続され、他端が出力となるアンプＡｍｐと、高電子移動度トランジスタＴｍのドレインに一端が接続され、他端に電圧が印加される抵抗Ｒhighとから構成されている。
【００３７】
ここでは、最初にＣholdにあった電荷は共通伝送線ＴＬに放電されるか、変更なしで保持される。Ｃholdの放電は充電よりも効率的に行われ、より大きな電荷の差がＣholdで生成される。
【００３８】
ＤｏＨスキームの利点は、マイナスの電圧スパン、つまり、「１」のビットに対してマイナスの電圧、「０」のビットに対して０の電圧を持つラベル信号を使用することにより、更に高まる。
【００３９】
図３（ａ）、（ｂ）に、プラス又はマイナス極性を持つＴＬ信号を利用したＤｏＨスキームの使用の比較を示す。光トリガーパルスによって生成されるゲート電圧信号ＶGSを実線のパルスで示す。ゲート電圧信号ＶGSが閾値の電圧Ｖthを超えて高電子移動度トランジスタＴｍがオンになると、ドレイン端子Ｄとソース端子Ｓの間のバイアス電圧ΔＶDSは、図３（ａ）に示すプラス極性の場合と比較して、図３（ｂ）に示すマイナス極性の場合では明らかに高くなる。
【００４０】
マイナス極性の場合、これにより、高いバイアス電圧ΔＶDSで有効化された高い電流を持つＣholdをより効率的に放電することが可能になる。また、光トリガーパルスのエネルギーが削減された場合、それに対応して、点線のパルスで示すようにゲート電圧信号ＶGSの電気パルスの振幅も削減される。ゲート電圧信号ＶGSがこのように削減されても、バイアス電圧ΔＶDSの値が最初に高ければ、光トリガーエネルギーが削減されていないプラス極性の場合と同様に効率的な変換が行える。なお、図３（ａ）、（ｂ）において、ＶDはドレイン端子の電圧、ＶSはソース端子の電圧、ΔＶSはソース端子における電圧スパンである。
【００４１】
［ＯＣＴＡのＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路］
次に、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３について説明する。
【００４２】
図２（ｃ）に示したＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３は、光トリガーパルスが入射されると、正出力側に正の電気パルスを出力し、負出力側に負の電気パルスを出力するＭＳＭ−ＰＤと、ＭＳＭ−ＰＤの正出力側に一端が取り付けられ、他端が接地された抵抗Ｒbiasと、ＭＳＭ−ＰＤの正出力側に一端が取り付けられ、他端に電圧が印加される抵抗Ｒbiasと、ＭＳＭ−ＰＤの負出力側に一端が取り付けられ、他端に電圧Ｖinが印加される抵抗Ｒinと、ＭＳＭ−ＰＤの負出力側に一端が取り付けられ、他端が接地されたキャパシタＣinとを有している。ＭＳＭ−ＰＤの正出力側が高電子移動度トランジスタＴｍのゲートに接続される。
【００４３】
この放電ベースのＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３は、バーストモード装置の基本要素で、光トリガーパルスを高電子移動度トランジスタＴｍのゲート端子Ｇの制御が可能な狭い電気パルスに変換するために使用される。このＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３には、製造に適した表面構造を持つＭＳＭ−ＰＤを利用している。ＰＩＮ（Positive-Intrinsic-Negative）光検出器の場合は反応がＲＣ時定数によって制限されるが、ＭＳＭ−ＰＤの場合は立ち上がり時間が非常に高速で、この制限となるのは非常に低いキャパシタンスによる電子走行時間のみである。
【００４４】
しかし、ＭＳＭ−ＰＤの反応はホールの低い移動度によりテールが長くなる。そのため、ＭＳＭ−ＰＤで十分に狭い電気パルスを生成するために、放電ベースのものが使用される。ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３の入力コンデンサＣinは最初から充電しており、高いバイアス電圧を維持している。次に、ＭＳＭ−ＰＤに光パルスが入射すると、光電流が発生する。抵抗Ｒinが高いために入力電圧Ｖinにより対応する電流を投入することができず、入力コンデンサＣinが放電され、結果的にバイアス電圧が低下する。ＭＳＭ−ＰＤの重要な１つの特徴は、バイアス電圧がないため、キャリアが存在する場合でも電流が流れることができないことである。
【００４５】
ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３に複数の光トリガーパルスが連続的に供給される場合、最初の光パルスは入力コンデンサＣinのキャリアを空乏化し、その後の光パルスの影響を排除するのに十分なエネルギーを持っている必要がある。この完全な空乏状態でのみ、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３はＳＰＣで求められる十分に振幅の狭い１つの電気パルスを生成することができる。
【００４６】
入力コンデンサＣinを完全な空乏状態にするためには、光トリガーパルスのための十分な振幅を得るための高い消費電力が間接的に求められる。例えば、光トリガーパルスの生成にＥＤＦＡの使用が必要である場合、光パケット１０の到着時にのみ使用される場合でも、ＥＤＦＡによりエネルギーが継続的に消費される。電力効率の高い動作を可能にするため、後述するように、発明者等の従来のＴＰＧ２５では、光パケットの到着時にのみエネルギーを消費させ、それ以外の時はエネルギーを消費しない半導体光増幅器（ＳＯＡ；Semiconductor Optical Amplifier）を使用している。
【００４７】
このＴＰＧ２５は、光トリガーパルスにおいて、最初の光パルスと比べて振幅の小さい２番目のパルスを生成するが、最初のパルスと２番目の光パルスの差を最大にすることは有益であり、これに取り組む必要がある。
【００４８】
［従来のＴＰＧ］
次に、従来のＴＰＧ２５について説明する。
【００４９】
ＴＰＧ２５は、ＳＯＡを使用して、着信した光パケット１０の最初のビットを選択的に増幅することにより、光トリガーパルスを生成する。光トリガーパルスは、もともと着信した光パケット１０の一部であったため、生成される光トリガーパルスも同期されたトリガーであり、ＯＣＴＡ２４への適用時にジッターのない直並列変換が行える。
【００５０】
図４（ａ）に、ピーク電流が高く（＞６００ｍＡ）、振幅の狭い電気パルス（１ｎｓまで）を生成するよう開発されたＳＯＡドライバーの光電子集積回路（ＯＥＩＣ；Opto-Electronic Integrated Circuit）であるＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１を示す。ＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１は、上述したＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３と同等の構成のＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２５２と、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２５２の出力側に接続されたパルス形状変更器Ｍｏｄと、パルス形状変更器Ｍｏｄの出力側にゲート端子が接続され、ソース端子が接地され、電気パルスが入力されるとオンになる高電子移動度トランジスタＴｒとを有している。
【００５１】
また、ＳＯＡ２５３では、そのカソード端子に、インダクタＬを介して、高電子移動度トランジスタＴｒのドレイン端子が接続されており、そのアノード端子には、電圧Ｖhighが印加されると共に、コンデンサＣsの一端が接続されており、このコンデンサＣsの他端は接地されている。ＳＯＡ２５３は、高電子移動度トランジスタＴｒがオンになると、着信した光パケット１０を増幅することになる。
【００５２】
光分波器ＯＤ５では、光パケット１０を２つに分波し、そのうちの一方をＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１のＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２５２へ入射し、そのうちの他方をＳＯＡ２５３へ入射している。そして、ＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１では、１つの電気パルスを生成するため、着信した光パケット１０から光分波器ＯＤ５により分離された一部（図４（ｂ）参照）が、ＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１にあるＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２５２に入射される。ここで生成された電気パルスは、高電流が一時的にＳＯＡ２５３に流れるように高電子移動度トランジスタＴｒをオンにするために使用される。
【００５３】
図４（ｃ）の点線の曲線はＳＯＡ２５３の規格化された増幅自然放出（ＡＳＥ；Amplified Spontaneous Emission）を示しているが、これは光入力の供給なしで、ＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１の電気パルスがＳＯＡ２５３に使用される場合のゲインプロファイルに対応している。ＳＯＡ２５３に到着する光パケット１０はゲインピークに近くなるように、例えば、光伝送線２５４でおおまかに調整される。このとき、光パケット１０の最初の光パルスがゲインピークに合うように調整することが望ましい。これにより、光パケット１０の最初の光パルスは大幅に増幅され、ＳＯＡ２５３に蓄積されたキャリアを消失させ、ゲインの欠落により、その後の光パルスを徐々に消滅させる（図４（ｃ）の実線）。ＳＯＡ２５３の電力消費は、光パケット１０の到着後の短時間に制限され、ＴＰＧ２５の消費電力を大幅に削減することができる。
【００５４】
混乱を避けるために強調しておくが、ＯＣＴＡ２４で使用されるＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３とＴＰＧ２５の入力段階で使用されるＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２５２は、使用目的が異なるため、異なるパラメーターを使用して設計されている。
【００５５】
ＯＣＴＡ２４の各チャンネルのＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３はピコ秒の間に１つの電気パルスを生成する必要があり、ＯＣＴＡ２４の全てのチャンネルに使用される光トリガーパルスは同じＴＰＧ２５によって生成されるため、ＯＣＴＡ２４の各チャンネルでＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３を動作させるのに必要なトリガーエネルギーを最小限に抑えることが強く求められる。
【００５６】
それに対して、ＴＰＧ２５のＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２５２は、より余裕のある間隔（数百ピコ秒からナノ秒）で電気パルスを生成することが求められ、入力された光パケット１０から分離された一部によってトリガーされる。
【００５７】
［従来の光トリガーパルスでの問題点］
次に、従来の光トリガーパルスでの問題について説明する。
【００５８】
上記のＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３の説明で述べたように、ＯＣＴＡ２４のチャンネルをトリガーするのに使用される光トリガーパルスが複数の光パルスで構成される場合、最初の光パルスと２番目の光パルスの差を最大化する必要がある。
【００５９】
ＴＰＧ２５によって生成される最初の光パルスと２番目の光パルスの差を直接増加させる方法は、ＳＯＡ２５３のゲインが存在する時間を短縮することであるが、後述するようにこれを達成することは難しい。ＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１はＳＯＡ２５３で高電流を瞬時に通す必要があり、ＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１とＳＯＡ２５３が非常に近い場所に配置されている場合でも、ＳＯＡ２５３のゲインのための非常に高速な立ち上がり時間を維持するには、これらの間の配線のインダクタンスを非常に低く抑える必要がある。
【００６０】
そのため、立ち上がり時間が改善されるかどうかは、物理的制限が解決されるかどうかによって決まるが、立ち下がり時間はＳＯＡ２５３でのキャリアの再結合の速度によって制御される。ＳＯＡ２５３の長さを長くすると、ＳＯＡ２５３のキャパシタンスが増加する代わりに、入力光信号によるゲインの消失効果も増加する。そのため、ＳＯＡ２５３の一時的なゲインプロファイルとＳＯＡ２５３で伝播される最初の光パルスの増幅はトレードオフの関係となる。
【００６１】
それに対して、ＳＯＡ２５３の一時的なゲインプロファイルを低減すると、光パケット１０の最初のビットとＳＯＡドライバーＯＥＩＣ２５１の電気パルスの時間調整が難しくなる。ＴＰＧ２５の反応を向上させるためには、これらの難しい条件が前提となるため、代わりに、ＴＰＧ２５の出力を整流することが望ましい。
【００６２】
ＴＰＧ２５の反応に関する２つ目の問題を図５に示す。ここでは、着信した光パケット１０の「１」と「０」のビットの間の消光比が十分でない場合（低ＥＲパケットの場合）と消光比が十分ある場合（高ＥＲパケットの場合）とを示す。
【００６３】
高ＥＲパケットの場合、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３において、最初の光パルスがＭＳＭ−ＰＤに到着すると、最初の光パルスによって、コンデンサＣinの電荷Ｑhighが略完全に空乏となるため、ノードＧでの電気信号は、望ましい波形となる。
【００６４】
一方、低ＥＲパケットの場合、最初の光パルスの前に発生するＳＯＡ２５３の出力が大幅に増加するため、ＤＢ−ＭＳＭＰＤトリガー回路２４３において、最初の光パルスが到着する前にＭＳＭ−ＰＤを通して、コンデンサＣinの電荷Ｑhighの一部が漏れる。この状態では、電荷Ｑhighの漏れの発生によってＭＳＭ−ＰＤ端子全体のバイアスがすでに低下しているため、最初の光パルスがＭＳＭ−ＰＤに到着した時点で十分に大きな振幅を持つ電気出力を生成することができず、ノードＧでの電気信号は、不完全な波形となる。この状態を防止するためにも、ＴＰＧ２５の出力を整流することが望ましい。
【００６５】
［ＴＰＧ出力信号の調整］
次に、ＴＰＧ出力信号の調整について説明する。
【００６６】
上記の欠点を解決するため、本発明では、ＴＰＧ２５にあるＳＯＡ２５３の出力側に光整流素子（光閾値素子）５２を追加している。つまり、図６、図７に示すように、本発明のＴＰＧ５１は、従来のＴＰＧ２５と、ＴＰＧ２５のＳＯＡ２５３の出力側に接続された光整流素子５２とから構成されている。なお、図６、図７において、図１、図４に示した構成と同等の構成については同じ符号を付しており、ここでは、重複する説明は省略する。このような構成とすることにより、ＴＰＧ２５で生成される光トリガーパルスを整流している。この光整流素子５２は、予め設定した所定の閾値Ｐthより高い振幅（エネルギー）を持つ、ＴＰＧ２５で生成された最初の光パルスを通過させ、振幅（エネルギー）が閾値Ｐthに達していない他の光信号（光パルス又は雑音）をブロックする機能を有している。
【００６７】
挿入損失の低い光整流素子５２を実現することは、ＳＰＣの動作にとって有益であるが、このような装置の実現は容易ではない。ここでは、考えられるいくつかの実現方法のうち、図８に示すように、非線形光学物質５２２で形成された方向性結合器５２１を使用する。非線形光学物質５２２としては、非線形の屈折率による自己位相変調（例えば、カー効果など）が大きい材料であれば何でも良いが、例えば、非特許文献４に挙げたポリマー導波路などが良い。
【００６８】
ここでは、２つの光導波路Ｗ１、Ｗ２が同じ基板上にモノリシックに集積された方向性結合器５２１の使用を検討する。望ましい長さＬｅについては、２つの光導波路Ｗ１、Ｗ２間の結合されたモード励起が有効になるようにし、２つの光導波路Ｗ１、Ｗ２の間のギャップＧａを小さくする。現在の製造プロセスでは、数十ナノメートル程度の小さなギャップＧａを容易に作製することができる。
【００６９】
２つの光導波路Ｗ１、Ｗ２の間の相互作用長には、伝播する光の強度によって屈折率が変化する非線形光学物質５２２を含める必要がある。発明者等の従来のＴＰＧ２５では、６．４ｐＪを上回る光トリガーパルスを生成でき、各チャンネル用に約０．４ｐＪの光パルスを必要とする１６チャンネルのＯＣＴＡ２４をトリガーすることができる。そのため、ＴＰＧ２５によって生成されるメインの光パルスのエネルギー量は、非線形光学物質５２２の屈折率の大きな変化を生むのに十分である。
【００７０】
非線形光学物質５２２の方向性結合器５２１の光パルスの伝播のための答えを求めるには、非特許文献２、非特許文献５に示した以下の式を解く必要がある。なお、光導波路内の伝播損失を説明するため、非特許文献２、非特許文献５で検討された損失のない理想的な条件に損失パラメーターαが追加されている。装置の動作は主に自己位相の変調期間Ｑ（ｚ）に基づいているため、相互位相の変調期間は無視される。下記式において、ｚはモードの伝搬方向、Ａ1は一方の光導波路の伝搬方向の関数としてのモードプロファイル、Ａ2は他方の光導波路の伝搬方向の関数としてのモードプロファイル、κは２つの光導波路間の結合係数である。
【００７１】
【数１】
2018205550.tif 000003
【００７２】
図９に、適切に設計した場合に光整流素子５２で発生しうる出力の例を示す。ここでは、図８に示すように、ＴＰＧ２５のＳＯＡ２５３からの出力が光導波路Ｗ１の入力ポートと結合されていることを考慮しており、光導波路Ｗ１の入力ポートに入力された光パルスのエネルギー（パワー）が低いと、出力ポートＯＰ１への透過率が低くなると共に出力ポートＯＰ２への透過率が高くなり、一方、光パルスのエネルギー（パワー）が高いと、出力ポートＯＰ１への透過率が高くなると共に出力ポートＯＰ２への透過率が低なる。つまり、入力された光パルスのエネルギー（パワー）に応じて、入力された光パルスを出力ポートＯＰ１へ転送したり、出力ポートＯＰ２へ転送したりすることになる（転送機能）。このような転送機能に従って、閾値Ｐthを十分に超えるエネルギー（パワー）を持つ光パルスが光導波路Ｗ１の出力ポートＯＰ１に転送（透過）される。ＴＰＧ２５で生成された光トリガーパルスの他の部分は、光信号の一部が出力ポートＯＰ２にも転送されるため、出力ポートＯＰ１から見ると損失の対象となる。このように、光整流素子５２は、高いエネルギーの光パルスの伝送を選択的に可能にする転送機能を有している。
【００７３】
不十分な消光比の光パケット１０を使用して、ＴＰＧ２５で生成された光トリガーパルスの整流前と整流後を図１０に示す。点線が整流前であり、実線が整流後である。ここでは、最初の光パルスの前に生成された光信号は、着信した光パケット１０の不十分な消光比のために大きく（最大１０ｄｂ以上）減少する。２番目の光パルスは振幅の減少が少ないが、整流前より数ｄｂ削減されており、最初の光パルスとの差は大きくなっている。
【００７４】
なお、光整流素子５２の設計の柔軟性を高めるため、方向性結合器５２１の結合領域に屈折率の微調整機能を追加しても良い。これにより、閾値Ｐthの精密な制御や転送機能の厳格な管理が可能になる。光導波路Ｗ１、Ｗ２の温度を、一緒に又は相対的に変化させるために、例えば、非特許文献３に記載されているように、光導波路Ｗ１、Ｗ２の付近に、又は、光導波路Ｗ１、Ｗ２のいずれか一方の付近に、マイクロヒータ５２３を追加しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、光トリガーパルス発生器及びそれを用いた光パケット交換のためのラベル処理器に好適なものである。
【符号の説明】
【００７６】
１０  光パケット
１１  ラベル
２１  共有コントローラ
２２  ラベル抽出器（ＬＥ）
２３  ファイバー遅延回線（ＦＤＬ）
２４  光クロックトランジスタアレイ（ＯＣＴＡ）
２５  光トリガーパルス発生器（ＴＰＧ）
２６  バーストモードＡＰＤ−ＴＩＡ
４０  光スイッチ
５０  ラベル処理器
５１  光トリガーパルス発生器（ＴＰＧ）
５２  光整流素子
【図１】
2018205550.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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