立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

光処理でのパターンマッチングに基づくメモリ不要なパケットスイッチの開拓
A study on optical packet switching by using optical comparison operation
2191001

研究代表者

沖縄工業高等専門学校
情報通信システム工学科

助 教

相川洋平

払拭することができる。この取り組みが光通信[研 究 の 目 的]

網における消費電力を改善し，エネルギー問題インターネットの出現により我々の世界は一解決の一助になることを期待している。

変した。とくに，近年におけるスマートフォン[研究の内容，成果]の台頭によって，その影響は加速度的に広がっている。一般に，トラフィックは「伝送」と「処理」とで信号形態を『光』と『電気』に使

図 1 に，提案技術をパケットスイッチに応用い分ける必要があり，この信号変換 (光電変した際の例を示す。スイッチに到着したパケッ換) に膨大な電力が必要とされる。そのため，

トは，複数に分岐し，それぞれがパケット識別急増するトラフィックは通信網における消費電器に入力される。パケット識別器は，候補のパ力をひっ迫する。なかでも，パケットスイッチケットに応じて各々が異なる干渉条件に設定さにおける電力が問題視されているものの，構造れており，入力パケットと候補パケットとの尤上メモリが不可欠であることから，抜本的な改度を出力する。これにより，尤度情報から入力善が困難と考えられている。このような問題にされたパケットを推定することが可能となる。

対し，光信号を光のまま制御することで電気的このように，候補パケットの数だけ識別器を用機能を代替できないものかと考えてきた。これいることで，メモリに頼ることなくパケットスを実現できたならば，「伝送」と「処理」とをイッチを実現することができる。
提案技術である光パケット識別動作は，光がシームレスに扱う事が可能となり，両者の光電伝搬する過程で処理が完了する。具体的には，変換に伴う電力を払拭することができる。
本研究は，メモリ不要なパケットスイッチ技候補パケットに応じた位相回転を付与し合波さ術の開拓に取り組むものである。具体的には，光のままで候補パケットとの尤度を算出する手法を提案し，パケット識別を光信号処理に代替する。また，当該機能の集積化を図るとともに，集積デバイスを用いてパケット識別の動作実証に取り組むものである。これにより，候補パケットを保持するためのメモリが不要となることから，パケットスイッチにおける光電変換を
― 1 ―

図1

メモリ不要なパケットスイッチの概念図

立石科学技術振興財団

図2

Si 細線導波路を用いた光パケット識別器

図 3 印加電圧 V  に対するスペクトルおよび消光比せ，複素座標に尤度情報を反映させるものであおり，電圧印加によって位相シフタとして機能る。時系列な信号を合波させる必要があることする。すなわち，出力の光強度分岐比を位相シから，当該動作は遅延干渉計を用いて実装するフタへの印加電圧によって制御できる構成とことができる。そのため，ビットレートに応じなっている。なお，遅延線上にも位相シフタがた遅延量の設定が重要となる。なお，位相回転配置されており，こちらを通過する光信号の位のために，熱光学効果を利用したヒータを制御相を自由に変更できる構成となっている。このする必要がある。

ようにして，当該デバイスは 4-bit の QPSK 信

光パケット識別デバイスをシリコン細線導波号入力に対して 1 つの合波信号を生成する。

路を用いて設計した。図 2 にデバイスの顕微鏡作製したデバイスの静特性を評価した。はじ写真および模式図を示す。当該デバイスは，4めに，光強度分岐比について動作最適点を導出

bit QPSK 信号を対象として設計されている。

した。当該デバイスに白色光を入力し，マッハ2.0 mm×0.1 mm サイズの矩形型であり，1 入ツェンダー干渉計上の位相シフタに電圧 V  を力×2出力の遅延干渉計と同一構造である。シ

印加し出力光スペクトルを観察した。図 3(a)リコン導波路は幅 0.45 μm および厚さ 0.21 μmに，電圧 V  印加時における光スペクトルの変とし，1550 nm 波長においてシングルモード伝化を示す。図 3(a) に示す通り，スペクトルは搬を満たす条件として設計した。なお，当該導波長に対し周期的に強度が変動する様子が確認

波路における群屈折率は 4.2 であった。

された。これは遅延干渉計における特徴的な現当該デバイスは，4 bit の QPSK 信号に対し象である。また，印加電圧を大きくすることで，て，1 つの合波信号を生成するものである。入スペクトル強度における最大値と最小値の差分

力ポート直後の 1×2 カプラが，入力信号を 2が大きくなる傾向が確認された。これは，印加つに分岐する。分岐カプラにつづく上部ポート

電圧によりマッハツェンダー干渉計における分は遅延線からなる。これは群屈折率に基づいて，岐比が等分岐条件に近づくためと考えられる。

通過した光信号が 10 Gbaud において 1 シンボ強度差分を消光比と定義し，印加電圧に対するルだけ遅れる長さに設計されている。その後，依存性を示したものが図 3(b) である。これよ分岐した 2 つのポートは 1 つに合流するが，そり，2.0 V において最大となり，その際の消光の際に入力された 4-bit QPSK 信号は各シンボ比が 10.6 dB となることがわかった。

ルが同一時間軸上に並んで合波される。合波カ

印加電圧 V =2.0 V において，デバイスの透プラはマッハツェンダー干渉計からなる。干渉過スペクトルを評価した。遅延線上の位相シフ計には TiN からなるヒータが取り付けられてタに電圧 V =2.9 V を印加した際の上部および― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

変調器を用いて，波長可変光源からの出射光にQPSK 変調を施し RZ-QPSK 信号を生成した。
このとき，信号波長を 1550 nm，変調帯域を9.9 GHz，疑似ランダム信号系列を 2 9-1 に設定
図4した。生成した RZ-QPSK 信号に対して，LN

光パケット識別器における透過スペクトル変調器をゲート素子として用いることで，2 9-1信号系列から特定の信号系列を切り出す構成とした。なお，ゲートパルスは 400 ps 幅とし，任意の 4 bit 符号に加えて 2 シンボル分のゲートパルスを透過させた。
生成した 4-bit QPSK 信号およびゲートパルスを集積デバイスに入力した。このとき，遅延線上の位相シフタに電圧 V  は 2.9 V および 3.5V に設定した。これは，識別対象のパケット

図5がそれぞれ 00 00 および 11 00 となる位相回転

光パケット識別器におけるインパルス応答量に相当する。つづいて，デバイスからの出力下部ポートのスペクトルを図 4 に示す。図より，

信号を 2-bit 遅延干渉計に入力した。これによ各ポートの最大・最小波長が交互に現れることり，合波信号は 2 シンボル分遅れた位置にあるが分かり，正しく動作していると確認できた。

ゲートパルスと干渉することとなる。干渉計出つづいて，インパルス応答の評価を行った。

力はバランスド型フォトディテクタへ入力し，モードロックレーザを用いて半値全幅 9.2 ps のその出力信号をオシロスコープにて観察した。

狭時間幅パルスを生成し，デバイスへ入力した

光パケット識別における動作波形を図 6 おようえで出力信号をオシロスコープで観察した。

び図 7 に示す。それぞれの図は 10 種類の 4-bit

パルスの波長は 1550 nm とし，シングルモー信号を入力した際の出力信号における動作波形ド伝搬条件に合わせた。入力したパルス波形をを示している。両図において，上半分は候補パ

図 5(a) に，その際の出力波形を図 5(b) にそケットを 00 00 に想定した際の結果を示し，下れぞれ示す。図 5(b) から，入射パルスが一度半分は候補パケットを 11 00 に想定した際の結分岐し遅延が加えられた後で合波した様子がう果を示している。また，いずれの図においても，かがえる。出力波形のパルス間隔は 101 ps で各波形において中央に位置する時間タイミング

あ り，こ れ は 干 渉 計 FSR に 換 算 す る と 9.9が合波信号に相当している。

GHz であった。設計目標は 10.0 GHz であった

まず，候補パケットを 00 00 とした結果に着ため，誤差 1% 程度と動作に問題がないレベル

目すると，動作波形の光強度と対象符号とのハで設計できていることが分かった。これらの検ミング距離が一致していることが分かる。例え討から，デバイス設計のために導出した群屈折

ば，00 00 信号が入力された場合には光強度は率 n  は正確な値であったと確認できた。

最大値を示している。また，00 01 および 00

さらに，4-bit の QPSK 信号に対して提案す10 信号が入力された場合には，光強度が最大る光パケット識別動作の実証を試みた。測定系

値よりも 1 つ分小さい値を示している。なお，は主として，信号生成部，集積デバイス，およ11 11 信号が入力された場合には，光強度が最び集積デバイスへの光結合系から構成される。

も小さくなっていることが確認できる。

まず，QPSK 信号の生成を行った。2 つの LN― 3 ―同様の傾向は，候補パケットを 11 00 とした立石科学技術振興財団

識別動作を実証することができた。一方で，提案手法は 1 つの候補パケットに対する尤度を算出するものであり，複数の候補に対して成り立つものではない。そこで，当該デバイスをアレイ状に配置することに取り組んでいく。これにより，複数のパケットに対する尤度を一度に算出することが可能となる。なお，アレイ構造を採用したことで，素子を共有化するなど，最適な構造に検討の余地が生まれる。そこで，今後は動作効率を最適化する構造の検討を行ってい
図6

く。また，構造が決まった際には，細線導波路光パケット識別における動作波形 1を用いて集積デバイスを作製していく。なお，当該デバイスを用いて改めてパケット識別動作に取り組んでいく。
[成果の発表，論文等][ 1 ] 相川洋平，“Si 細線導波路を用いた QPSK 信号に対する比較演算デバイス”，光通信システム研究会，電子情報通信学会総合大会講演文集，2019 年 2月.
[2]

Y. Aikawa, “Ultracompact Optical Comparator

for 4-bit QPSK-modulated Signal Based on Silicon図7Photonic Waveguide,” IEEE Photon. J., 11(3), 1-10,

光パケット識別における動作波形 2(2019).

際においても確認できる。例えば，11 00 信号[3]Y. Aikawa, “Optical digital-to-analogue conver-sion for 2-bit BPSK-modulated signal based onが入力された場合には光強度は最大値を示してdelay line interferometer with balanced photodetec-いる。また，11 01 および 11 10 信号が入力さtor,” Electron. Lett., 55(21), 1139-1141, (2019).

れた場合には，光強度が最大値よりも 1 つ分小さい値を示している。さらに，00 11 信号が入力された場合には，光強度が最も小さくなっていることが確認できる。このように，候補パケットとの類似度を光強度として獲得できることが分かった。提案手法では，候補パケットに任意の 4-bit を選択できることから，光パケッ
ト識別を実証できたといえる。

[ 4 ] 相川洋平，“シリコン細線導波路を用いた光比較演算処理デバイス”，光通信システム研究会，2019
年 10 月.
[5]

Y. Aikawa, “Integrated Optical Comparator for

2 successive QPSK-modulated Symbols Based onSilicon Photonics Waveguide,” International Conference on Photonics Research, (2019).
[6]

Y.

Aikawa,“Integratedopticalsignal based on a silicon photonics waveguide,”Electron. Lett., 56(16), 830-832, (2020).

[今後の研究の方向，課題]
当該デバイスを用いて光処理によるパケット― 4 ―digital-to-

analogue converter for a 2-bit BPSK-modulated