半導体キャリア冷却時定数限界を克服する
高速全光ゲートモデル設計とその実験着手状況
上野研究室
中本 亮一、森本 勇樹、西田 武洋

木村･一色研 - 上野研合同セミナー, 平成 20年 4月 4日
Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

発表内容
 研究背景– 全光波長変換– キャリア・クーリング現象とその影響– スペクトル合成方式による全光波長変換
 本研究の目的
 設計した高速全光ゲートモデル（I）, （II）

– キャリア・クーリング現象を考慮したレート方程式– 強度、位相フィルタの設計
 結果

モデル（I）, （II）

 実験着手状況
 まとめ 今後の展望Ultrafast Optical Logic Lab., UEC2

研究背景

ｰ 全光波長変換 ｰ• 波長多重 （ WDM ）• 将来の波長変換システム

一本のファイバに複数の波長の光を伝送

λ1
λ2
λ3
λ4

λ1
λ2
λ3λ4

全光波長変換
光信号：λ1

光信号：λ2

光信号のみ → 40 Gbit/s以上の通信が可能

WDMの導入により一本のファイバの伝送容量はTbit/s 領域の世界に• 全光波長変換器 ｰ DISC, Delayed-Interference Signal-wavelength Converter
遅延干渉型

DISCの構成
位相シフタ

時間遅延
バンドパス
半導体光増幅器（SOA）
マッハツェンダ干渉計 フィルタ
（BPF）
（MZI）

主な特徴: ① 単純な構成② 低パワー動作③ 集積化の可能性
ビット誤りなし 320 Gbit/s の全光波長変換（Y. Liu et al., Eindhoven, 2006 ）Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

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研究背景

ｰ 全光波長変換 ｰ
DISC光ゲート

データ信号: λ1

位相シフタ∆Φb（パルス）

CW光: λ2

時間遅延∆ｔ半導体光増幅器（SOA） マッハツェンダ干渉計（MZI）（強度一定 ）
CW：continuous wave

相互利得変調（XGM）相互位相変調（XPM）

Φt
パルスの入力時にCW光に非線形位相シフトが起こる

変換後の信号: λ2
2つの成分が干渉する

2つの成分に分けるΦ∆Φ∆Φb∆ΦNL

バンドパスフィルタ（BPF）

π∆ｔt

片方の成分を ∆Φb 位相シフト、t位相差：∆Φ がπのとき、2成分は相殺

もう片方の成分をΔt 遅延させる

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

4

研究背景

ｰ キャリア・クーリング現象 とその影響ｰ

E: 電子エネルギー
ρ: キャリア密度
初期状態
フェルミディラック分布t~0①t ~ 100 fs②

SOAにパルスが入射

t ~ 2 ps③

キャリアの分布が温度の緩和
フェルミディラック分布になる④t ~ 1 ns①

キャリア注入pahse

③④①②
④①

transmittance②differential pahse(J. Mørk et al., DTU, 2004)

出力時間波形に歪みが生じる③time (ps)time (ps)time (ps)

SOA内の位相変動

MZIによる位相差出力

DISC出力時間波形

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

5

研究背景

ｰ スペクトル合成方式による全光波長変換 ｰ

強度, 位相フィルタ(J. Leuthold et al., Lucent, 2004)
役割
分波（フーリエ変換）

周波数毎に強度と位相を調節

合波（逆フーリエ変換）

スペクトル合成方式のメリット

強度、位相フィルタの部品構成

 時間波形の歪みの解消

 回折格子＋液晶空間光変調器(SLM) 伝送速度が大きくなるほどスペクトル合成しやすい MEMS(微細ミラー)光フィルタ
 アレイ導波路回折格子(AWG)＋可変アッテネータ＋位相シフタ

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

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本研究の目的 キャリア・クーリング現象による波形歪みの解消
 従来の遅延干渉型とは、異なる方式の波長変換の考案

スペクトル合成方式を用いた全光波長変換の理論設計

7

設計した高速全光ゲートモデル（I）
ｰ キャリア・クーリング現象を考慮したレート方程式 ｰ レート方程式（SOA内のキャリアダイナミクスのモデル）
パルス
CW

when 0 < n(t ) < 0.4 × nmax
dn (t ) 1n (t ) =−− {G [n (t )] − 1}⋅
dtqVVτ1I op

E pulse (t ) + E cw (t )22hωwhen 0.4 × nmax < n(t ) < nmax
E pulse (t ) + E cw (t )I op
dn (t ) 1n (t ) =−− {G [n (t )] − 1}⋅dtqVVτ2hω2n ：キャリア密度

τ ：キャリア寿命

Iop ：SOA活性層への注入電流

Epulse ：パルスの複素振幅

V ：SOAの活性層の体積

Ecw ：ＣＷ光の複素振幅2Normalized Carrier Density

SOA
1.00.80.60.40.20.0

τ1-40

τ2-20+0+20 +40Time (ps)キャリア振動波形
Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

8設計した高速全光ゲートモデル（I）
ｰ 強度、位相フィルタの設計 ｰ

SOA出力の強度、及び、位相スペクトルをフィルタにより調整し、波形歪みを解消する。
SOAの出力スペクトル①強度、位相フィルタの設計

 強度フィルタ：入力信号の周波数成分毎
 位相フィルタ：①中心周波数、②長波長側、③短波長側②③フィルタ特性

 理想的な強度スペクトルの形状＝入力信号：Sech2
 直線的な位相スペクトル

フィルタ透過後のスペクトル

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結果 モデル（I）

ｰ アイパターンによる信号評価 ｰスペクトル合成方式

Log Intensity (a.u.)

DISC
014 dB-10-20-30-10+0+10Time (ps)

アイパターン：1000 bitの重ね書き, 入力信号：パルス幅 2.0 ps, 25 Gbit/sの擬似ランダム信号 (Word長：231-1)

 擬似ランダム入力信号時でも、波形歪みの解消に成功
 アイパターンによる評価：消光比 14 dB の良好な結果
Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

10設計した高速全光ゲートモデル（II）
ｰ 位相フィルタの改良設計 ｰ
1①+1.0Phase Φ/π1.0モデル（I）②Phase Φ/π（入力信号）
ビットレート：80 Gbit/s, パルス幅：1.0 ps

Phase Φ/π+0.50③0-1000+1000-1

Frequency (GHz)
-1000

01000
Frequency (GHz)11.0

合成後の位相スペクトル：モデル（I）
急峻な位相スペクトル
高精度な位相フィルタの設計-1.0

合成後の位相スペクトル：モデル（II）
直線的な位相スペクトル-100001000
Frequency (GHz)

モデル（II）

Phase Φ/πSOA出力
位相スペクトルPhase Φ/π-1.0000-100001000
Frequency (GHz)

位相フィルタ特性

0-1-100001000
Frequency (GHz)スペクトル合成出力
位相スペクトル

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC11結果 モデル（II）

ｰ アイパターンによる信号評価 と周波数特性ｰ
 周波数特性 アイパターンの比較+1.00

12+0.60

パルス幅
0.99 ps+0.40

10.4 dB

+0.20
+0.00
-10.0+0.80+0.60

パルス幅0.74 ps
11.7 dB+0.40+0.20+0.0+10.0+0.00-10.0+0.0Time (ps)Time (ps)モデル(I)

モデル(II)（入力信号） ビットレート：80 Gbit/s, パルス幅：1.0 ps

 高周波領域での波形歪みの解消
 消光比の改善+10.0extinction ratio (dB)

+0.80

Intensity (a. u.)

Intensity (a. u.)+1.00

model (I)model (II)1085 dB

64100200

frequency (Gbit/s)

モデル（I）より、消光比1 ~ 5 dBの改善

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

12実験着手状況
 スペクトル合成器
 VBSを使った時間多重実験構成図
OSO：光サンプリングオシロ（Variable Bandwidth Spectrum Shaper,
OSA：光スペクトラムアナライザVBS）• アプリケーションを用いた強度・位相の独立制御
強度：0.0 ~ 20.0 dB
0.1 dB step

位相：0.00 ~ 2.00 πrad0.01 πrad step

-20intensity (dBm)

主な仕様：• 波長範囲
1538−1567 nm• チャンネル数340 ch• チャンネル間隔 10 GHz（0.08 nm）

 実験結果 （10 GHz → 30 GHz ）-30-40-501548

1550

1552

1554

MLLD output wavelength (nm)intensity (dBm)

情報通信研究機構（NICT）所有-40-50-601548

1550

1552

wavelength (nm)1554

VBS output 強度スペクトル時間波形
13Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

まとめ目的 キャリア・クーリング現象に基づく出力時間波形歪みの解消
 従来の遅延干渉型波長変換（DISC）とは、異なる方式の波長変換の考案

方法 スペクトル合成方式を用いた波長変換モデル（I） ：強度、位相フィルタの設計
モデル（II）：位相フィルタの改良設計

結果 アイパターンによる信号評価
モデル（I） ：25 Gbit/s, 2.0 ps の擬似ランダム信号 → 消光比 14 dB の良好な結果
モデル（II）：80 ~ 200 Gbit/s の擬似ランダム信号 → モデル（I）より、消光比1 ~ 5 dBの改善

結論
 超高速波長変換において、スペクトル合成方式は有効な手段である。

実験着手状況
スペクトル合成器（VBS）を用いた時間多重実験

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

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今後の展望 VBSの位相制御特性評価
 MLLD出力時間波形のパルス幅（2.8 ps）を、フーリエ変換限界パルス（1.7 ps）近くまで、狭くする。
 クロックパルス信号での波形歪み解消実験（繰返し周波数：10 GHz, 20 GHz（時間多重：2×10GHz））（データパルス信号での波形歪み解消実験）

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

15

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

16

予備スライド
理論解析結果

実験結果

1010

Temporal chip gain (dB)15

Gain (dB)

1550-5050Time (ps)50-5-10-50

100050Time (ps)+20

キャリアクーリングなし
Gain (dB)-10-50SOA InPhenix #1 150mA
CW 1548nm +7dBm (chip)
Pulse 1560nm 25GHz120 fJ

1002004 坂口氏@Ueno Lab+100-40-200+20Time (ps)+40

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC17MZIによる波形歪の起源
波長変換出力の強度スペクトル

MZIの振幅透過率+5000-5-10-300 -200 -100 0 +100 +200 +300
Frequency (GHz)

SOA出力のCW光の ×

1.5Intensity (a. u.)

Transmissivity (dB)

Log intensity (a.u.)+100-400 -200
0 +200 +400
Frequency ( GHz )MZIの位相透過率＝1

波長変換出力の時間波形

0.5+1.50-300 -200 -100 0 +100 +200 +300
Frequency ( GHz )波長変換出力位相スペクトル

位相スペクトル
1.0位相,強度スペクトルともに歪んでいる

Intensity (a. u.)

SOA出力のCW光の強度スペクトル+1.0+0.5

1+1.0-1.0-300 -200 -100 0 100 200 300
Frequency (GHz)0-1.0-300 -200 -100 0 +100 +200 +300
Frequency (GHz)

Phase Φ/π0

Phase Φ/πPhase Φ/π+0.0-400-20+0Time (ps)+20+40

パルス幅1.9ps,消光比6.0dB-1-300 -200 -100 0 100 200 300
Frequency (GHz)

破線 ・・・ideal パルス幅2ps,sech波形

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

18擬似ランダム信号での動作
合成フィルタを使ったクロック信号の波長変換信号
5Intensity (a. u.)

振幅透過率0-50-5-10-300 -200 -100 0 +100 +200 +300
Frequency ( GHz )+1.0+0.5+0.0-200-100+0Time (ps)+100+200

信号周波数25GHz
波長変換出力 パルス幅2.0ps, 消光比23.0dB-10-400 -2000+200 +400
Frequency ( GHz )合成フィルタを使った擬似ランダム信号の波長変換信号

位相透過率05+1.0π+0.5π

0-5-10-300 -200 -100 0 +100 +200 +300
Frequency (GHz)-1.0-200Log intensity (a. u.)+1.0Phase Φ/π+1.5-1000+100
Frequency (GHz)+200+1.5

Intensity (a. u.)

Transmissivity ( dB )+5アイパターン

時間波形

強度スペクトル
Intensity (a. u.)

合成フィルタ

出力に0信号雑音が生じた+1.0+0.5+0.0-200-100+0Time (ps)

波長変換出力 パルス幅2.0ps,消光比14dB+100+200

ビットレート 25Gb/s

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

19高周波：> 100 Gb/s 動作時のアイパターン比較
入力パルス幅：1.0 ps

パルス幅（ps）

80
10.4
11.7
0.99
0.74

120
5
10
0.7
0.6

200
4
50.6
0.6

160 Gbit/ｓ

200 Gbit/ｓ+1.00+1.00+1.00+0.80

+0.80

+0.80

Intensity (a. u.)

高速全光ゲート(Ⅰ)

Intensity (a. u.)

120 Gbit/ｓ

160
5
10
0.6
0.4+0.60+0.40

Intensity (a. u.)

消光比(dB)

繰り返し周波数（Gbit/s）
高速全光ゲート(Ⅰ)
高速全光ゲート(Ⅱ)
高速全光ゲート(Ⅰ)
高速全光ゲート(Ⅱ)

+0.60
+0.40

+0.20

+0.20

+0.00
-2.0+0.00-2.0+0.60
+0.40
+0.20

+0.0

+1.0+2.0+0.80

Intensity (a. u.)

Intensity (a. u.)+1.00

高速全光ゲート(Ⅱ)

+0.60
+0.40

+0.0

+1.0

+2.0

-1.0+0.0

Time (ps)+1.0+2.0+0.00-2.0+1.00

+1.00

+0.80

+0.80

+0.60
+0.40

+0.00
-1.0

-1.0

+0.0

+1.0

+2.0

+1.0

+2.0

Time (ps)

+0.60
+0.40
+0.20

+0.20

+0.20
+0.00
-2.0-1.0

Time (ps)Time (ps)Intensity (a. u.)-1.0+0.0

Time (ps)+1.0+0.00-2.0-1.0+0.0

Time (ps)Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

20

VBS構成Ultrafast Optical Logic Lab., UEC

21

-40

intensity (dBm)

intensity (dBm)

VBSを用いた時間多重 10G -> 30G-50-60
1548

1550

1552

1554

-40-50-60
1549

1550

wavelength (nm)1551

wavelength (nm)150

intensity [dBm]intensity [mW]

20
100

50

30.0 GHz
29.4 GHz

0020

4060

time [ps]8010012.4 dB
10007.36 dB

4.68 dB

204060time [ps]80100

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC22位相補正値の入力パルスエネルギー依存性
入力パルスエネルギー 30fJの時

Phase Φ/π0+0.5π

Phase Offset Φ/π+1.0π+1.01.5

中心周波数成分
レッドシフト10.5-1.0-200-1000+100
Frequency (GHz)+20000100
Input pulse energy ( fJ )200

SOA入力パルスエネルギーの値→擬似ランダム信号を波長変換するときに重要
SOA入力パルスエネルギーに関しては、ある値を決めると位相透過率の値は同じで良い

Ultrafast Optical Logic Lab., UEC23