相互注入同期半導体レーザを用いた直交振幅変調技術の研究
Research on quadrature amplitude modulation technology based on mutually injection-locked
semiconductor lasers
１(b)に示すように、QAM 方式では光電界の振幅と位相を両方制御するため、2 次元的な多値化が可能である。
現在、QAM 信号光を生成するためにはニオブ酸リチウ
ム導波路[2]などを用いた外部変調器が必須であるが、ポッケルス効果等による小さい屈折率変化を利用するため一般的には cm オーダの導波路長が必要であり、これに伴い複雑な進行波型電極も要求される。数 V 程横田 信英 (Nobuhide YOKOTA, Ph. D.)

度の高い駆動電圧と数 dB 程度の光挿入損失も欠点と東北大学 電気通信研究所 准教授なる。InP 系や Si 系の半導体導波路を用いた外部変調(Associate Professor, Tohoku University, Research Institute ofElectrical Communication)

器[3,4]も研究されており、小型集積化に有利であるが、ニオブ酸リチウム導波路の場合とは異なり、量子閉じIEEE 電子情報通信学会、応用物理学会
受賞：船井研究奨励賞 (2018 年) コニカミノルタ画像科学奨励賞 ( 2018 年)
IEEE GCCE2019 Excellent Paper Award (2019 年) 他
研究専門分野：光エレクトロニクス

込めシュタルク効果などの動作波長範囲が狭い物理現象を用いる必要があり、屈折率変調に付随して意図しない光損失変調が生じる課題が存在する。
そこで本研究では、外部変調器を用いない新規 QAMあらまし光源の実現を最終目的とし、提案光源構成の動作原理

近年の大容量光通信では、光の振幅と位相の両方にを検証する。

情報を含むデジタルコヒーレント光通信方式が普及しており、信号光には周波数利用効率の高い直交振幅変(a)4値 強度変調（2 bit/symbol）
虚部光強度調方式が広く利用されている。直交振幅変調は、２つに分岐した光をそれぞれ独立に変調して情報を乗せ、その後に両者を直交位相状態で合波することにより実時間現可能である。しかしながら、そのためには簡便な半光の位相は制御しないので円形になる導体レーザとは別に外部変調器が必要であり、これに(b)なる。そこで本研究では、外部変調器を用いることな虚部

く半導体レーザから直交振幅変調光を直接生成する技
虚部術の研究を推進した。具体的にはリング共振器を用いて相互注入同期された２つの半導体レーザを電流変調

実部

16値 QAM（4 bit/symbol）
実部

よる挿入損失、駆動電力、サイズ、コスト等が問題と1次元的多値化

2次元的多値化
実部

時間する手法を提案し、本手法の基本原理と直交振幅変調

図１

光生成の特徴について明らかにした。

変調方式の比較 (a)強度変調方式、(b)QAM 方式

２．研究の背景１．研究の目的

QAM 信号光の生成に用いられる外部変調器の欠点を近年の高精細動画配信サービスの普及などに伴い、回避するため、単純な強度変調方式の場合と同様に、光通信トラフィックが爆発的に増大している。これま半導体レーザの電流変調に基づく簡便な直接的 QAM 信で、主に強度変調方式（図１(a)）と波長分割多重技術号光生成技術の開発が期待されている。しかし、半導によって光通信の大容量化が進められてきたが、さら体レーザを単純に電流変調するだけでは光電界の振幅なる大容量化へ向けた技術として、周波数利用効率のと位相が同時に変化し、光信号の実部と虚部の独立制高い直交振幅変調（QAM）方式を用いたデジタルコヒー御ができないため QAM 信号が生成できない。この問題

レント光通信技術[1]*1 の導入が急速に進んでいる。図に対する先駆的研究[5]では、図２(a)に示す光ファイ

1TELECOM FRONTIER No.117 2022 AUTUMN

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バ型の構成が用いられた。マスターレーザの出力光を搬送波の抑制効果も得られるため合理的である。Si 系半導体レーザに注入することで同期を得る注入同期技

光導波路と InP 系半導体レーザのハイブリッド集積構術を用いており、2 つの半導体レーザ間の直交位相関造を将来的に想定している。

係を維持した状態で各レーザを電流変調しており、生3.2 相互注入同期特性(a)

渉計によって抑制することで、約 1 V の低い駆動電圧にも関わらず QAM 信号光の生成を実現している。しかし、注入同期用のマスターレーザ、アイソレータ、DC光抑制用干渉計を含む複雑な本構成を半導体基板上へ集積することは困難である。本構成を面発光レーザアレイに適用する研究[6]も報告されているが、大掛かりリング共振器の結合・透過成した振幅変調光に含まれる搬送波（DC 光）成分を干
1.0T20.0-2

C10.0-100C1(2)-50050T1(2)-10121000

時間 (ns)

光源構成を凌駕することが困難である。

1.00.5C20.5(b)な空間光結合系が必要となり、外部変調器を活用した

T1

1発振周波数（半導体レーザ１）

2

発振周波数（半導体レーザ２）

相対周波数 (GHz)

図３(a)リング共振器の結合・透過特性、(b)相互注入同期のダイナミクス

半導体レーザの一般的な解析モデルであるレート方程式を拡張し、２つの半導体レーザの出力光がリング共振器を介して相互に注入される状況について解析した。まず、考慮するリング共振器の特性を図３(a)に示す。鋭い共振状の光結合（C1, C2）または光透過（T1, T2）を示しており、その半値全幅は約 870 MHz である。
図２

また、自由スペクトル間隔は 100 GHz である。光導波(a)先行研究の提案する光源構成、(b)本研究で提案路の伝搬損失 0.1 dB/cm を考慮しており、このようなする光源構成

伝搬損失は窒化シリコン導波路等を用いることで実現
３．研究の方法可能である。半導体レーザの解析には、歪補償

3.1 デバイス構造・原理

InGaAlAs/InGaAsP 多 重 量 子 井 戸 を 活 性 層 と す る
1.55 m 帯半導体レーザ[7]のパラメータを用いた。

図２(b)に示すように、提案する光源構成では 2 つの半導体レーザが相互に光を注入することで同期を得

図３(b)に示すように、リング共振器のある共振周波る現象（相互注入同期）を活用する。しかし、単純に数を基準とし、そこから各半導体レーザの相対的周波相互注入同期した半導体レーザを電流変調すればレー数を数 GHz 程度ずらしても、互いにリング共振器のザ間でクロストークが生じ、相互注入同期を維持でき共振周波数に引き込み合い一定時間経過後に安定するない。そこで、フィルタ特性を有するリング共振器に相互注入同期現象が確認できた。通常、２つの半導体よって変調光の高周波成分（変調信号）を分離して透レーザの出力光を相互に注入すると不安定になりやす過させ、低周波成分（搬送波）のみを切り出して相互いが、リング共振器のフィルタ特性により、過渡的な注入同期に用いる。リング共振器を透過させることで光応答はリング共振器を透過し、DC 成分に近い光を2TELECOM FRONTIER No.117 2022 AUTUMN

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semiconductor lasers
結合させている点が重要である。のスペクトルと時間波形について調べた。ここで、単3.3 変調周波数応答特性純化のため f1 = f2 = 0 とした。図５(a)に示すように、
ワード長 211−1 の疑似ランダム信号（PRBS）*2 で各半20導体レーザを変調した場合、半導体レーザ１からは E1(a)10半導体レーザ１の応答感度 (dB)(i) Df1 = -10 GHz, Df2 = 10 GHz

注入光なしのようなパワースペクトルを有する光が出力され、注(ii) Df1 = -10 GHz, Df2 = 0 GHz(iii) Df1 = 0 GHz,0

入同期に利用される成分 C1 は、主に中央のピーク成分

Df2 = 0 GHz(iv) Df1 = 10 GHz, Df2 = 0 GHz

相互注入同期（搬送波）が抽出されている。一方、リング共振器を(v) Df1 = 10 GHz, Df2 = 10 GHz-10透過した成分 T1 は、主に変調によって生じたサイドバ20(b)ンドを含むことがわかる。光の時間波形を調べると、

10

Df1 = -10 GHz, Df2 = 0 GHz
Df1 = 0 GHz,0

図５(b)に示すように、E1, E2 は PRBS の波形を維持しDf2 = 0 GHzているものの、T1, T2 は波形が歪んでおり、C1, C2 にお

Df1 = 10 GHz, Df2 = 0 GHz

通常の注入同期（2 ⇒ 1）

-100102030405060

いても純粋な DC 成分ではなく変動が見られる。これ
70らは、約 870 MHz の透過半値全幅を有するリング共80

変調周波数 (GHz)

図４

振器が信号光の低周波成分を弱めてしまうことに起因(a)相互注入同期半導体レーザおよび(b)注入同期半している。そこで、図５(c)に示すように、長い信号パ導体レーザの変調周波数応答特性ターンが連続しないように補正する 8B/10B エンコー
ディング*3 を用いた場合、E1 のスペクトルが有する低半導体レーザでは変調周波数応答帯域幅が注入同期周波成分が抑制されるため、図５(d)に示すように、時によって拡大することが知られている[8]。そこで、相間波形の歪を抑制できることがわかった。

互注入同期状態の半導体レーザの変調周波数応答を調べ、通常の注入同期半導体レーザと比較した。図４(a)4(a) PRBS

E1に示すように、注入光なしの場合に比べて、相互注入

3(b) PRBS

E1 E22同期状態の半導体レーザは帯域幅が拡大することが確

T1 T21C1認できる。各半導体レーザ（１と２）について、リンを変化させた(i)-(v)の条件下において解析しているが、(i)と(ii)、(iii)、(iv)と(v)、においてそれぞれ同様な応答特性を示していることがわかる。図４(b)に示すように、

光電界の実部 (a.u.)

グ共振器の共振周波数に対する相対周波数差（ f1, f2）

光パワー (50 dB/div)

0T1(c) 8B/10B

E1-1

C1 C2-2-343(d) 8B/10B

E1 E22

半導体レーザ２から半導体レーザ１への一方的な光注

T1 T21C10入が行われる場合（通常の注入同期）との比較により、-1半導体レーザ１の応答特性には f1 が関係することがT1-2わかった。したがって、 f1 と f2 の値が大きく異ならC1 C2-3-30 -20 -10ないように設定することで、２つの半導体レーザの変01020

相対周波数 (GHz)調周波数応答特性を合わせることができる。

図５3.4 直交振幅変調光の生成

30時間 (500 ps/div)

PRBS 信号で変調した時の(a)光スペクトルと(b)光信号波形、8B/10B 信号で変調した時の(c)光スペクトル

図２(b)で示したように、QAM 信号光を生成するたと(d)光信号波形

めにはリング共振器を透過した２つの導波路出力光を直交位相関係で合波する。このような位相シフト・合T1, T2 を直交位相関係で合波することにより QAM波を行う前に、各半導体レーザの出力光（E1, E2）、リ信号光を生成し、信号のボーレートに対するコンステング共振器における結合光（C1, C2）と透過光（T1, T2）

レーション*4 とそのエラーベクトル振幅（EVM）とし3TELECOM FRONTIER No.117 2022 AUTUMN相互注入同期半導体レーザを用いた直交振幅変調技術の研究
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semiconductor lasersて図６にまとめた。ここで、コンステレーションはト、サイズを低減することが可能であり、中～短距離

QAM 信号の品質を信号配置点のずれや広がりとして通信の用途として有望である。また、相互注入同期の大雑把に確認することができ、EVM はそれを定量化ために利用するリング共振器の動作波長帯域は広いたするものである（値が小さいほど高品質と言える）。

め、集積する半導体レーザ材料と発振波長を制御する

PRBS 信号では、40 GBd までボーレートを向上する

ことで、C バンド（1530-1565 nm）に限らず、幅広い波ことによって EVM が低減されている。これはボーレ長帯において QAM 光源を実現することが可能となる。

ートの向上により信号の周波数帯が高くなり、リング

これはデジタルコヒーレント光通信技術の適用範囲を共振器による低周波信号の抑制の影響を受けにくくな拡張し、新たな産業的需要を創出する機会となり得る。

るためである。40 GBd 以上にボーレートが向上する

現在、ファウンドリサービスを活用した提案デバイと、相互注入同期半導体レーザの変調周波数応答帯域スの試作を進めており、本研究で得た様々な理論的知幅による限界のため EVM が劣化している。一方、見を実験的に確認することを目指している。

8B/10B 信号の場合、すべてのボーレートにおいてPRBS 信号の場合よりも低い EVM を示しており、低おわりにボーレートにおいてもリング共振器の透過半値全幅に

本研究は次世代の中～短距離用デジタルコヒーレン起因した EVM の劣化を抑制できることを確認した。

ト光通信システムにおける簡便な QAM 信号光の生成を

80 GBd においても、受信信号の誤りを訂正する前方目的とし、外部変調器を用いることなく半導体レーザ誤り訂正技術で要求される EVM 閾値を下回っており、から QAM 信号光を直接生成する手法について検討した。

本提案原理による QAM 信号光の生成が可能であるこ２つの半導体レーザがリング共振器を介して相互に光とを示す結果が得られた。

を注入し同期する相互注入同期現象を活用し、各半導体レーザからの変調出力光を直交位相関係で合波することにより、QAM 信号光を生成できることを数値解
析によって明らかにした。
用語解説*1 信号光と局発光の干渉とデジタル信号処理を用いる光通信方式であり、光の振幅と位相の両方を通信に活用する点が特徴である。
*2 一定の周期で”0”と”1”が繰り返される擬似的なランダム信号であり、ワード長に応じて”0”または”1”

図６の最大連続数が異なる。

信号のボーレートに対する生成した QAM 信号光の*3 高速シリアル転送方式の一種であり、”0”または”1”コンステレーション（青いプロット分布図）と EVM のの期間が 4 以下になるように、8 ビットのデータを関係10 ビットのデータに変換する。
*4 信号光の振幅と位相を複素平面にプロットしたも４．将来展望
デジタルコヒーレント光通信技術はコストや消費電のであり、信号配置点における各プロットの分布が力よりも性能を重視する長距離光通信において導入が狭いほど理想的である。

進んでいるが、近年ではデータセンターでの中～短距離向けデジタルコヒーレント光通信技術が研究され始参考文献めている。本研究で提案する QAM 光源は半導体レーザ[1] K. Kikuchi, “Fundamentals of Coherent Opticalの電流変調に基づくため効率が高く、消費電力、コスFiber Communications,” J. Lightwave Technol.
4TELECOM FRONTIER No.117 2022 AUTUMN

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Research on quadrature amplitude modulation technology based on mutually injection-locked
semiconductor lasers
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OpticalFrontend Module Integrated with Bandwidth
Multiplexing

Function,”

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この研究は、平成３０年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、令和元年度～令和３年度に実施されたものです。

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