超高速全光ゲートを利用したモード同期パルス発生器の4ps,10GHz, 単一縦モード発振

上野研究室
中本 亮一 (M) 竹内 宏幸○(M2) 稲富 友一(B)2008年4月4日

木村･一色研 上野研 合同セミナー
1

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

研究の背景: 将来の光通信と全光ゲート
将来の光通信通信需要の増大により波長分割多重(WDM) → WDM + 光時分割多重(OTDM)(1波長あたり 10 ~ 40 Gb/s) →(1波長あたり 40 ~ Gb/s)
OTDM用光源•40 ~ GHzの高繰り返し周波数•繰り返し周波数に対応した数ps ~fsのパルス幅•集積化可能 高い信頼性期待される光源

全光ゲートを用いたモード同期パルス発生器
全光ゲートの利点•電気的変調不要の為、100 GHz以上の動作が可能•光−電気−光の処理より低消費電力•部品数の削減、信頼性
Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

2

研究の背景: DISC-loop型パルス発生器
ＤＩＳＣとは遅延干渉型波長変換器(Delayed Interference
Signal-wavelength Converter: DISC)の略称•波長変換•多重分離(時間領域)•論理動作(AND,OR,etc)
本パルス発生器の特徴
・パルスのパラメータをそれぞれ独立に設定できるため柔軟にシステムが構築可能
パルス幅, ∆t, マッハツェンダ干渉計 (MZI)
繰り返し周波数, ∆f, エタロン (自由スペクトル間隔, FSR)DISC-loop型パルス発生器の構成と原理
SOA: 半導体光増幅器, P: 偏光子
EDFA: エルビウム添加ファイバ増幅器
Q: λ/4 波長板, H: λ/2 波長板

中心光周波数, f0, 分布帰還型レーザダイオード (DFB-LD)
・汎用光部品 (SOA, etc)で、パルス発生器が構築可能→集積化可能 (EDFAはSOAに交換可能)
3

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

背景：マルチ縦モード発振
これまでの研究報告：マルチ縦モード発振(横モードはシングル)
サイドモード抑圧比 (SMSR) ： 0 〜 10 dB
共振器周波数(loop１周での共振周波数)⊿λ＝ 80 fm⊿f ＝10 MHz

0.08 nm = 10 GHz

パルス間隔が不安定

10 GHz10 MHz

SMSR

Ｏ/Ｅ変換

Number of longitudinal mode

光スペクトル
100λOE変換スペクトル(R. Suzuki, UEC, 2006)
点： 測定点破線： 近似曲線

8060t

f

通信用途には、安定動作が必要なので単一縦モード発振化が必須

40
20
1246

単一縦モード発振になるエタロンの3 dB帯域幅の予想値
8 400 MHz – 1000 MHz

Etalon3dB bandwidth (GHz)4Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

本研究の目的

DISC-loop型パルス発生器における単一縦モード発振
光スペクトル

0.08 nm＝10GHzＯＥ変換

λOE変換スペクトル時間波形10GHz100 pstf

方法：エタロンの3 dB帯域幅の狭窄化
5Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

高フィネスエタロンの設計と評価
設計値 (板厚 10.3 mm (FSR: 10 GHz))

実測値

#a
#b

ミラーホルダによる入射光角調節 < 0.1°

3dB 帯域幅 [MHz]1801200

Transmittance (dB)

Transmittance (dB)

エタロンの製作協力
日本航空電子工業(株)

反射率 [%] (フィネス) 3dB 帯域幅 [MHz] 損失(計算値) [dB]#a96.9 (100)1001.5#b99.7 (500)205.6-10-20-30-40-100+10

Relative frequency (GHz)

拡大0-10-20-30-40-10

Relative frequency (GHz)#aの透過スペクトル損失(実測値) [dB]5.517.0+1点：測定ポイント
破線：フィッティング曲線

目標値(R. Suzuki, UEC, 2006 より)
3 dB帯域幅： < 400 MHz
損失 < 10 dB
6Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

注入CW光の光周波数制御
CW
TransmittanceTransmittance

CW

Optical frequency

Optical frequency

エタロンの透過スペクトルと注入ＣＷ光周波数0Intensity (dBm)

Intensity (dBm)

0-20-40-60-80
1549

1549.51550

Wavelength (nm)-20-40-60-80
1549

1549.51550

Wavelength (nm)パルスの光スペクトルエタロンが狭帯域になるほどCW光の光周波数をエタロンの透過波長に精度よくあわせなければならない

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

7パルス発生の実験構成
カルサイト厚(8.5 mm ,3.85 mm)
CW光

DFB-LDの調整精度
温度コントローラによる時間安定度: < 1 mK
直流電流の設定分解能: 7 µΑ

共振器長: 26 m
共振器周波数：12MHz

発振光周波数の時間安定度: 3 MHz
発振光周波数の設定分解能: 4 MHz
8Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

SHG intensity (a.u.)

Intensity (dBm)

パルス発生結果 遅延時間 = 5.0 ps (1)-20-40-60-80
1548

1549

1550

Wavelength (nm)

光スペクトル

1551

15 dB
10-1000

Delay (ps)+100

自己相関波形

中心光周波数：193.52 THz(中心光波長：1549.2 nm)
パルス幅 ： 3.9 ps
パルス消光比： > 15 dB

黒線：パルスの測定結果
青線：測定系のバックグランド

9Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

Intensity (dBm)

Transmittance (dB)

パルスのOE変換スペクトル
実線： 測定結果, 破線： エタロンの透過スペクトル

0-20

Intensity (dBm)

Optical frequency, f - fcarrier (MHz) 拡大 Optical frequency, f - fcarrier (MHz)-20 -10 0 +10 +20-200 -100 0 +100 +200-5.4
00-5-5.6-20-20-5.8-10-40-40 48 dB-6-15-6.2-60-60-6.4-80-20-809.8 9.9 10 10.1 10.2
9.97 9.98 9.99 10 10.01
Frequency (GHz)
Frequency (GHz)Transmittance (dB)Intensity (dBm)

パルス発生結果 遅延時間 = 5.0 ps (2)6 dB-40-60
10.3

10.4

10.510.6Frequency (GHz)

本研究以前の結果

ピーク周波数： 9.9891 GHz
ピーク周波数： 9.9881 GHz
共振器周波数,共振器周波数：
fc： 11.7 MHz
11.7 MHz
エタロンの3 dB帯域幅,
BW: 180180 MHz
エタロンの3 dB帯域幅:MHz
BW/ fc: 15
サイドモード抑圧比(SMSR)を本研究以前より42dB 改善 10
Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

SHG intensity (a.u.)

Intensity (dBm)

パルス発生結果 遅延時間 = 2.2 ps (1)-20-40-60-80
1546

1548

1550

1552

19 dB

10-1000

Wavelength (nm)Delay (ps)

光スペクトル

自己相関波形

中心光周波数：193.52 THz(中心光波長：1549.2 nm)
パルス幅 ： 2.1 ps
パルス消光比： >19 dB+100

黒線：パルスの測定結果
青線：測定系のバックグランド

11Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

パルス発生結果 遅延時間 = 2.2 ps (2)-40-15-60-80

9.8 9.9 10 10.1 10.2
Frequency (GHz)-20-20-4035 dB-6-60-80
9.97

9.98 9.99 10
Frequency (GHz)-6.5

Transmittance (dB)-10

Intensity (dBm)-20

Optical frequency, f - fcarrier (MHz)-20 -100+10 +20-5.50Transmittance (dB)Intensity (dBm)

Optical frequency, f - fcarrier (MHz)-200 -100 0 +100 +2000-5

Intensity (dBm)

パルスのOE変換スペクトル
実線： 測定結果, 破線： エタロンの透過スペクトル-20-405 dB-60-8010.44

10.47

10.5Frequency (GHz)

本研究以前の結果

10.53

ピーク周波数： 9.9891 GHz
共振器周波数, fc： 11.7 MHz
エタロンの3 dB帯域幅, BW: 180 MHz
BW/ fc: 15
サイドモード抑圧比(SMSR)を本研究以前より30 dB 改善12
Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

まとめ

高フィネスエタロンを使用し、DISC-loop型パルス発生器において単一縦モード発振を初めて実証
条件
・エタロンの3 dB帯域幅 / 共振器周波数 = 15.4(共振器周波数: 11.7 MHz、エタロンの3 dB帯域幅: 180 MHz)・注入連続光の光周波数を共振器周波数以下の精度で制御

今後の課題
・短パルス化 ( < 1.5 ps)
・高繰り返し周波数( > 40GHz)での単一縦モードの実現
・パルス発生器の小型、集積化
13

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

14Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

8/21 フィネスを用いて反射率を出すのは、問題がある？？？のでエタロンの定義最終版
カルサイトの透過スペクトルのpeakとvalleyを使って、反射率Rを導出する。

I trans(1 − R) 2=
I input (1 − R) 2 + 4 R sin 2 (δ / 2)δ=

4πnL cos θ

λIpeakより単純に考えて、Ipeakが最大、Ivalleyが最小になるとすれば、(1 − R) 2

Ivalley

I peak =(1 − R) 2 + 4 R × 0(1 − R) 2
I valley =(1 − R) 2 + 4 R ×1となる。これより

I valley
I peak=(1 − R)
1− R =(1 − R ) 2 + 4 R  1 + R 

1− R γ =
1+ R 22

変形してR=2となる。このIvalleyとIpeakの比率は、透過強度I が[dBm]の場合、結局それぞれの差分が、その比になるのでグラフから求めた最大ー最小がこのIvalley/Ipeakである。
その値をγとすると。

1− γ1+ γとなる。

この式でも以前の式と同じ結果が得られ。この方が単純で分かりやすいといえる。
計算ミスも少なくすむのでこちらを使ったほうが良いようだ。

15

エタロンの定義最終版

7/26 エタロンとしての厚さについて先日の偏光子無しのときのデータを用いて、修正した計算式で、少し計算したが、なんだかおかしい。
エタロンとしての影響をカルサイトと同じように計算しているのは問題のようだ。
遅延時間を求めるならば、カルサイトと同じ方法でよいが、エタロンとしての厚さや、反射率を求めるには違う方法が必要なようだ。
結局周波数軸とスペクトル軸は、線形に変換
f = v / λ なので) ν ∝ λできるので（(ただし、波長による屈折率変化が急激では非線形になるはずv = c / n なので)スペクトルのフリンジからFSRとFWHMを求めそこから計算すべきようだ。

周波数

FSRFWHM =FF≡π R
1− RFSR(∆ν )cFWHM (∆ν (1 / 2)) ==F2nLF cos θFSR(∆ν ) =周波数c2nL cos θL=

c2nFSR(∆ν ) cos θΘは光軸とエタロンとの角度なので 16垂直になっているからθ=0 cosθ=1

8/2 エタロンの計算が修正

エタロンの定義最終版

エタロンの式は問題なく、問題は波長から周波数軸に変えてから、グラフからパラメータを読み取る必要があることだったようだ。
グラフからpeak to peakでFSR(Δν)を求める。そこからまずエタロンとしての厚さを求めると

L=

c2nFSR (∆ν ) cos θ

ここで大まかにカルサイトの厚さと合ってるか確認した後グラフからMZIの効果を考慮に入れつつ半値幅を求める。
半値幅FWHM,FSRが分かったのでフィネスFを求めると

FSR
F=FWHM
これから反射率を求めると

F≡

π R
1− R
計算が間違っていたので右に修正

2F 2 + π 2 ± π 1 + 4F 2
R=
2F 2

R = 1+π22F

2±π2
F2+π44F 4

このRは反射率、また反射係数rを求めると

r= R

反射率Rは最高1まで。1以上になっているのは計算上発生してしまうため。

17

フィネスを用いて反射率を出すのは、問題がある？？？ので エタロンの定義最終版
カルサイトの透過スペクトルのpeakとvalleyを使って、反射率Rを導出する。

I trans(1 − R) 2=
I input (1 − R) 2 + 4 R sin 2 (δ / 2)

δ=4πnL cos θλ(1 − R ) 2 + 4 R sin 2 (δ (λ2 ) 2 )=I valley (1 − R) 2 + 4 R sin 2 (δ (λ1 ) 2)

Ipeak

よりI peak[mW ][dBm] = 10 log101mW[W ] = 10Ivalley[ dBm ]10

ここでλ1,λ2はそれぞれpeakとvalleyでの波長
ここから変形すると
22()(δ (λ2 ) 2)I valley δ
λI−sin()2sin1peak
2R + 4− 2 R + 1 = 0 ( I = I peak − I valley )
I
22
()
(δ (λ2 ) 2)I valley Iδλsin()
2−sin
2
1
peak−b± b −4
b = 4− 2
R=2I


r= R

この式でも反射率Rは2通り出てくる。ただしR>1は実際に存在しないので、ひとつに絞れる。
18
MZIとエタロンの効果を完全に分離しないと、振幅からではきれいに出せなさそうだ。

注入連続光の光周波数制御
CW

TransmittanceTransmittance

CW

エタロンの透過スペクトルのピークに10 GHz間隔の高調波成分が立つ

Optical frequency

Optical frequency

モードロック成功

モードロック失敗

δf

印加電圧の変化による
光周波数シフト

Δf1

Δf2

δf

Δf1

f

DFB
同じ仕様のレーザと駆動＆制御システム(直流電源 & 温度コントローラ)

Δf2

PC
DFB

f

PD
実線：光の経路
破線：電気の経路f

ESA
PC, 偏波制御器
PD, フォトディテクタ
ESA, 電気スペクトラムアナライザ

目標値光周波数設定分解能、時間安定性が共振器周波数(12 MHz) 以下Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

19DFBの光周波数制御性の測定結果+0.1 mV 変えることで約4 MHzシフト

0Intensity (dBm)

Intensity (dBm)-30-20-40-601549

1549.51550

Wavelength (nm)-40-50-60-70-100Frequency (MHz)

光スペクトル

電気スペクトル

実線：測定結果
破線：近似曲線= -3.7 MHz / 0.1mV+200-20-400+1+2

Peak frequency
shift (MHz)Peak shift ofRF signal (MHz)+40-1+10DFB1台あたりの時間安定性：3 MHz+6+46 MHz+20-20Variation of applied voltage (mV)

100 200 300 400 500Elapsed time (s)光周波数設定分解能

光周波数の時間安定性

共振器周波数以下の精度で連続光の光周波数を制御可能20Ultrafast Optical Logic Lab., UEC単一縦モード発振, 遅延時間 = 5.0 ps
6 dB-40-60
10.4

10.5

10.6-20-40-60

Frequency (GHz)

9.8-20-40-60-80
1548

1549

1550

Wavelength (nm)
光スペクトル9.91010.1

10.2

Frequency (GHz)
パルスのOE変換スペクトル

SHG intensity (a.u.)

Intensity (dBm)

本研究以前の結果

Intensity (dBm)

-20

10.3

00

Intensity (dBm)

Intensity (dBm)01551

10.50Delay (ps)
自己相関波形

48 dB-40-60
9.97

9.98

9.99

1010.01

Frequency (GHz)1.50-100-20+100

ピーク周波数： 9.9881 GHz
共振器周波数： 11.7 MHz
中心光周波数：193.52 THz(中心光波長：1549.2 nm)
パルス幅 ： 3.9 ps
パルス消光比： 15 dB

サイドモード抑圧比(SMSR)を本研究以前より42 dB 改善21
Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

単一縦モード発振, 遅延時間 = 2.2 ps
-20

5 dB

-40-60-80

10.44

10.47

10.5

10.53

Intensity (dBm)-20

Intensity (dBm)

Intensity (dBm)

0-40-60

35 dB-40-60-80

Frequency (GHz)

9.9

9.95

-40-60-801546 1547 1548 1549 1550 1551 1552

10.05

9.97

9.98

9.991010.01

Frequency (GHz)

パルスのOE変換スペクトル

SHG intensity (a.u.)-20

10Frequency (GHz)

本研究以前の結果

Intensity (dBm)

-20

1.5
10.50-1000

Wavelength (nm)Delay (ps)

光スペクトル

自己相関波形

ピーク周波数： 9.9891 GHz
共振器周波数： 11.7 MHz
中心光周波数：193.52 THz(中心光波長：1549.2 nm)
パルス幅 ： 2.1 ps+100 パルス消光比： 15 dB

22短パルス(繰り返し周波数80 GHz相当)発生時において、30 dB 改善

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

短パルス発生時のSMSR悪化の推定原因
エタロンのFSR = 共振器周波数の整数倍が理想

1. エタロンのFSRと共振器周波数のズレ

共振器周波数 = 10 MHz + δf

10.00 GHz
=1000次高調波

中心成分から遠くの成分になるほど、スペクトル間隔が合わせづらくなる

10.01GHz

300 GHz= 30000次高調波

・・・・・・・・・・・・・・・・

f

光スペクトル

2. ソリッドエタロンの分散
10.00 GHz

10.01 GHz
ソリッドエタロン中での分散によりエタロンのFSRが一定でない

f
光スペクトル

23

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

超高速全光ゲート(DISC)の動作原理
DISC

研究報告
・ DISCの提案, Y. Ueno, NEC, (1998)
・320 Gb/sの波長変換
Y. Liu, TU Eindhoven COBRA, (2006)
DISC: Delayed Interference Signal wavelength Converter
SOA: Semiconductor Optical Amplifier
MZI: Mach-Zehnder Interferometer

連続光の干渉連続光の位相変調

Φ∆ΦNL

Phase

Phase

Φ

ｔ２Timeｔ１t∆t∆ΦNLπｔ２

Timet１t２成分間の位相差の時間依存性

Phase difference

２成分の位相の時間依存性∆Φπ∆t∆ΦNLｔ２

t１tTime

超高速(∆t)のスイッチング動作が可能24
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パルス周回メカニズム
DISC 型全光偏光変換器
MZI

定常状態において、レーザ発振を抑制①パルスと連続光を互いに直交偏光でDISCに入力
パルス幅を決定P②連続光偏光の 新しいパルスが発生しDISC入力パルスが消光される③etalonにて、パルスが分離して、etalon遅延時間を受ける④偏光が連続光に直交となったパルスが繰り返し周波数を決定
SOAに帰還SOA

H

DFB-LD

パルス周回メカニズム

delayBPF

outputパルス波長を決定① DISC入力③ etalon 出力
etalonの遅延時間
TE② DISC出力
TE

TE

変調

分離time

TE

偏光回転
t2

t1

t1

④ １周後、DISC入力

t1

t2

t1

time

timetimeTM

TM25消光TMTM

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

-20-400-5-10-3000+3000+200 +400+1.0

Phase Φ/π+1.0

Phase Φ/π-400 -2000-1.00+3000-5-10-3000+300

Frequency ( GHz )+1.00-1.0

Frequency (GHz)

5Frequency ( GHz )Frequency (GHz)-300

Log Intensity (a. u.)

信号パルス幅2.0ps
信号周波数25GHz

波長変換スペクトル

Phase Φ/πLog intensity (a.u.)

0Transmissivity (dB)

MZIの透過スペクトル

SOA出力スペクトル0-1.0-400 -2000+200 +400

Frequency (GHz)MZI遅延時間:2.0ps
位相バイアス:1.05π-300+0+300

Frequency (GHz)26予備スライド
0Intensity (dBm)

Intensity (dBm)

0-20-40-40

Q、Ｈによる偏光のズレ < 1°-60
9.97-209.98

9.99

1010.01-60
9.97

Frenqency (GHz)

9.98

9.99

1010.01

Frenqency (GHz)

集積化の際に、精度の高い偏波制御、偏波消光比が必要

27

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