同一波長光加速方式を同一波長光加速方式を用いた高速全光論理
いた高速全光論理ゲート
高速全光論理ゲートのゲートの研究
電子工学専攻 上野研究室 杉浦 賢太

1. はじめに2. 同一波長光加速効果の同一波長光加速効果の原理半導体光増幅器(SOA)を含む全光ゲート

SOAを用いた全光ゲートの動作に必要なは、超高速光通信を担う全光通信技術としパラメータとして、非線形位相シフト量とて注目されている。これまでにゲート速度SOAのキャリア緩和時間が挙げられる。ゲの高速化、低消費電力、高密度集積を目的

ート動作の可否は位相シフト量に、ゲート[1][2]とした研究や、全光波長変換器、全光論速度は緩和時間にそれぞれ大きく依存する。

理ゲートなど様々な研究が成されている

しかしこの２つのパラメータにはトレード[2][3]。特に全光論理ゲートの研究について述

オフ関係を示す傾向があるため、全光ゲー

べると、100 Gb/sのANDゲートや40 Gb/sのトを高速化するためには非線形位相シフト

XORゲートなどこれまで世界中で報告が量を維持しながら緩和時定数を短縮する必なされている。しかし、出力信号波形が劣要がある。
ゲート入力には制御光と被制御光があり、化していたり、クロック信号での実験であったりと、まだ未熟な点が多い。また殆ど制御光によって被制御光を変調することでがゲート方式の研究でありゲートの高速化ゲート動作する。その際、ゲート動作に必を目的としたものは少ない。全光論理ゲー

要な位相シフト量を得るためには制御光のトの研究には、まだまだ多くの研究課題が強度を強くする必要がある。同時に、緩和残されている。

時間を短縮するためには被制御光の強度を強くする必要がある（光注入による光加速

全光論理ゲートに限らず、これまでSOA作用[4][5]）。

を含む全光ゲートの研究は、信号光の分離が容易であるという点から複数の入力光はゲート動作時、信号光がSOA内部を伝播全て異波長の光信号を使用するのが主流ですると利得スペクトルのピークが減衰しなあった。しかし筆者らは、異波長方式ではがら長波長側へシフトする(図1(a))。これが[4][5]ゲート動作の加速に必要な光加速効果原因となり、異波長方式では制御光と被制[6]を減少させているという問題に着目した 。

御光の強度比が一定に保たれない(図1(b))。

本研究では、データ光と同一波長な連続その結果、被制御光が十分強められなくな光(cw光)で光加速する同一波長光加速方式り光加速作用を弱めてしまう。一方、同一が、従来方式よりも光加速効果が高いこと波長方式の場合、強度比が一定に保たれるを実験により実証し、さらに100 Gb/s 全光ため(図1(c))、異波長方式よりも被制御光をORゲートを実証し、同一波長光加速方式が強めることができる(図1(d))。結果、光加速ゲート速度高速化において有効であること効果を強めることが出来ると考えられる。

を実証したので報告する。

1

1550

Gain [dB]

20-35

10 100mA-40cw (λ 2)data (λ1 )
190

195

10-25-30

15 200mA5

また、このとき同一波長方式実験において(b)
1500-45

Intensity [dBm]

Wavelength [nm]

1600
25

Intensity [dBm/nm](a)

8cw (λ 2)

64 +3.020input

200

は、SOA前後の偏光制御器をもちいてcw光+7.3の偏光をパルス光の偏光と直交させること

data (λ1 )で、cw光のみを分離する偏光分離を行った。

cw: +3dBm, 1540nm
pulse: 100fJ, 1555nm, 12.5GHz+0.9

Optical frequency [THz]+7.8200

400

600

SOA Length [ µm]output3.1 非線形位相シフ
非線形位相シフト
シフト量の評価

injection current: 150mA

(c)

(d)
1500

20-30

15 200mA-35

10 100mA
5-40

data, cw (λ 1)190195-45200

Optical frequency [THz]非線形位相シフト量を評価するために、

10-25

Intensity [a.u.]

SOAの出力スペクトルを観測しそこから計

86cw (λ 1)算によって位相シフト量を算出した[7]。図34data (λ1)

20inputは系統的に測定したSOA出力スペクトルと

cw: +3dBm, 1555nm
pulse: 100fJ, 1555nm, 12.5GHz

200400位相シフト量の評価結果である。今回の条

600

SOA Length [ µm]output

件では、位相シフト量は同一波長方式と異injection current: 150mA

図1 SOA内部で光信号が獲得する利得と入出力端での光強度(a)(b): 異波長方式,(c)(d): 同一波長方式((a)(c): SOA利得スペクトル (b)(d): SOA入出力端での光強度)波長方式で顕著な差は見られなかった。この結果を裏付けるために同じ条件でSOAの利得スペクトルを観測した。結果を図4に示す。これを見ると、同一波長方式と異波長方式でパルス光の利得が殆ど等しい。位相3. 同一波長光加速方式の同一波長光加速方式の実証

シフト量はパルス光の利得とパルス光エネ同一波長方式と異波長方式それぞれにつルギーの積に比例するため、位相シフト量いて、非線形位相シフト量と緩和時間を測に差が無いことは妥当な結果だと判断した。

定・評価した。構成は図2の通りである。
SOAはInPhenix社のバルク型を使用し、入(a)100 fJ

10 fJ

1 fJ

(b)

100 fJ

10 fJ

1 fJ

力光信号の波長は、異波長方式では信号光(制御光)1555 nm, cw光(被制御光)1540nm、同一波長方式では信号光、cw光共に1555nmとした。また、信号光は、パルス幅2.0 ps,パルスエネルギー100 fJ/pulseとした。この(c)

条件でSOAへの注入電流量、信号光強度、Nonlinear Phase Shift ∆ΦNL/πGain [dB]1550

Intensity [dBm/nm]

Wavelength [nm]

1600
25

連続光強度に対する非線形位相シフト量と緩和時間の依存性について系統的に測定・評価を行った。

10.5

注入電流： 150mACW Power： +3dBm

0.10.05
same wavelength(cw, pulse:1555 nm)
different wavelength(cw: 1540 nm, pulse:1555 nm)

0.01
0.1

1101001000

Pulse Energy into Chip [fJ/pulse]

図3 非線形位相シフト量評価結果(a)(b): SOA出力スペクトル (c): 非線形位相シフト量のパルスエネルギー依存性（赤：同一波長、青：異波長）

図2 非線形位相シフト量と緩和時定数評価実験構成2

Gain [dB]

3.3 同一波長光加速効果の同一波長光加速効果の評価w/ 1555nm
w/ 1541nm+15+10以上の結果をまとめると図6のようにな+5る。同一波長方式の方が異波長方式と比べ、同じ位相シフト量を得た状態でより強い光

0-5

パルス光
cw光

cw光

1480

1500152015401560

加速効果を得た。これより同一波長方式は、

1580

異波長方式よりも光加速効果が高いことを

Wavelength [nm]実証した。また今回は、同一波長方式を用

図4 SOAの利得スペクトル(赤：同一波長、青：異波長)いることで従来方式よりも最大1.2倍の光加速効果を得た。

3.2 緩和時定数の緩和時定数の評価
Relaxation
constant[ps]Carriertime
Lifetimeτ [ps]

SOA出力XGM時間波形を系統的に測定し、フィッティングによって緩和時定数を算出した。結果を図5に示す。入力光強度の増加に伴って緩和時定数が短縮されている。
これは、cw光による光加速効果である。また同一波長方式と異波長方式を比較すると、cw高強度が強い条件において、同一波長方式の方が光加速効果が高い結果となった。
これは、図4より同一波長方式の方が異波長方式よりcw光の利得が高く、cw光が異波長

注入電流： 150mA
Pulse Energy： 100fJ/pulse

100500.2

different wavelength(cw: 1540 nm, pulse: 1555nm)
same wavelength(cw, pulse: 1555 nm)

0.3

0.4

0.5

0.6

Nonlinear Phase Shift ∆ΦNL/π

図6 緩和時定数と位相シフト量の評価結果(実線)：同一波長方式, (破線)：異波長方式方式よりも強められることで、SOA内部キャリアの定常状態レベルが低下しているた

4. 同一波長光加速方式100Gb/s全光全光同一波長光加速方式

め、光加速効果が高められたためだと判断

ORゲートゲートのゲートの実証した。
SFG Intensity [V]

500(a)全光論理ゲート動作の高速化において、(b)同一波長方式が異波長方式よりも光加速効果が高いか調査するために、100 Gb/s全光Time [ps]Relaxation
time constant[ps]Carrier Lifetime
τ [ps]

ORゲート実験を行なった。そのために、まTime [ps]同一波長方式

異波長方式ず100 Gb/sという超高速なデータ信号の生300(c)200成と観測を行なった。次に生成したデータ

注入電流： 150mA
Pulse Energy： 100fJ/pulse

信号を用いて全光ORゲート実験を行なった。実験構成を図7に示す。

10090807060
50same wavelength(cw, pulse: 1555 nm)
different wavelength(cw: 1540 nm, pulse: 1555 nm)-10-50+5CWCWPower[dBm]
power(into(into chip)chip) [dBm]

図5 緩和時定数評価結果(a)(b)緩和波形 (c)緩和時定数のcw光強度依存性（赤：同一波長、青：異波長）

図7 100Gb/s 全光ORゲート実験構成

34.1 100 Gb/sデータ
データ信号
データ信号の信号の生成と生成と観測Teeへ40 MHzクロック電気信号を入力してデータ信号を相互相関計で観測するためいるが、この40 MHzクロック電気信号は、には、ビット長よりも繰り返し周波数の低Calmarレーザ出力である40 MHzクロックいクロック信号が必要となる。当研究室で光信号をフォトダイオード（PD）で光／電は、データ信号の生成のための光源として気変換し、その電気信号をアンプで増幅し繰り返し周波数が12.5 GHzのPritel社製モーた信号である。このとき、LN変調器とEAドロックファイバーレーザー（MLFL）を変調器へのRF信号入力タイミングを同期使用している。そこでもう1台、繰り返し周させるために、PDから各バイアスTeeまで波数が40 MHzのCalmar社製MLFLを使用しの同軸ケーブルの長さを一致させている。て参照光として利用することにした。しかまた、LN変調器とEA変調器の間にあるし、この2台のMLFLの出力光で相互相関波

ODLによって変調するタイミングを同期形を観測したところ、タイミングジッタがしている。これは図3.2の中のAdjustment of

数psと大きく、時間分解波形を上手く観測

timing windowsで示している。また、Calmarできなかった。そこで、2007年卒業生であレーザ出力時間波形は時間的にドリフトしる坂口淳氏によって、Pritel社製MLFLの出ているため、Monitoring LN-bias drift &力信号を変調して40 MHzのクロック信号

Pulse-timing drift with one PDで、そのドリフを生成する装置が開発された。その構成をトを常時観測している。Monitoring LN-bias

図8に示す。

drift & Pulse-timing drift with one PD では、
LN変調器出力とCalmarレーザ出力を同時に観測することで、LN変調器のバイアス値による変調具合を観測すると同時に、Calmarレーザ出力によるLN変調器透過窓と入力12.5 GHz光信号を同期させることが出来る。
以上に述べたことは、卒業生である坂口氏が考案・作製したものについて私なりの図8 40 MHz参照光生成システム構成図解説を加えたものである。
私は、ORゲートを実証するにあたりデーPritel社製MLFLから出力された12.5 GHzタ信号を観測するための準備実験として、クロック光信号を、偏光制御器、偏光ビー同期した40 MHz参照光を生成し、Pritelレームスプリッタ（PBS）で直線偏光にし、LN

ザ出力12.5 GHzパルスとの相互相関波形を変調器を用いて40 MHzの繰り返し周期で観測した。しかし、生成した40 MHzクロッ変調する。その後、光遅延器（ODL）を通クパルスを参照光として利用すると、被参り、EA変調器を用いて再度40 MHzで変調

照光の自己相関波形と比べて、消光比がする。2度変調器を用いているのは、１つの10dB以上劣化するという問題が発生した変調器だと変調が不十分なためである。こ（図9(a)）。そこで構成部品を1つずつ動作のとき、LN変調器とEA変調器のバイアステストすることで、原因を調査した。

4構成部品である、LN変調器やEA変調器、ることで2系列データ信号を生成した。生成RF信号を増幅する電気アンプ2台などにつしたデータ信号の観測結果の一例を図10にいて動作テストを行ったところ、EA変調器示す。生成したデータ信号は、繰り返し周のRF信号入力端子が破損していることが波数100 Gb/s、中心波長1554.9 nm、パルスわかった。RF入力端子を正常なものと取替

幅1.62 ps、ビット長312 bitであり、消光比えて再度実験を行なったところ、正常に相は4 ~ 6 dBであった。

互相関波形を観測することが出来た（図-10-15-20-100 -500+50 +100 +150 +200 +250

Time [ps]0.060.040.020-50+1000.080.060.040.020+2000Time [ps]-10-15-20-100-500+50+100+150+200

Time [ps]図9 40 MHz参照光による12.5 GHzクロック信号
相互相関波形((a): EA変調器修理前 (b): EA変調器修理後)0.080.06
0.040.0200+100+100+200

Time [ps]SFG Intensity [V]-50

SFG Intensity [V]

SFG Intensity(log) [dB]00.08

SFG Intensity [V]

(b)

(a)
SFG Intensity [dB]

SFG Intensity [V]9(b)）。

+2000.08
0.06
0.040.020Time [ps]0+100+200

Time [ps]図10 100 Gb/sデータ信号時間波形

この40 MHz参照光を利用して、まず1004.2 100 Gb/s全光
全光ORゲート
全光 ゲートGb/sデータ信号生成を行なった。データ信同一波長方式が異波長方式よりも1.2倍号生成のための主な実験構成は図7の100の加速効果を得る条件で、100 Gb/s 全光ORGb/s input data signal generator部分である。

ゲートを実証した。実験構成は図7に示したデータ信号生成手順は以下の通りである。

とおりである。全光ORゲートの構成には、まず、モMLFLを用いて12.5 GHzのクロッ200 Gb/sでの波長変換が報告されている遅ク信号を発生させる。このときの出力パル

延干渉波長変換器[2][7]を応用した。先ほどのス幅は1.62 psであった。そしてこの12.5100 Gb/sデータ信号を用いて異波長方式とGHzクロック信号をエルビウム添加ファイ同一波長方式の両方でORゲート実験を行バーレーザー（EDFA）と分散減少ファイ

い、出力信号を観測・比較した。超高速デバー（DDF）を用いてパルス圧縮する。そータ信号時間波形観測には、同期した40の結果、パルス幅は0.96 psまで圧縮された。

MHz参照光を使用した。また、ORゲート実次に、光時分割多重器（MUX）を3台用い験においても同一波長入力光を用いる場合て圧縮した12.5 GHzクロック信号を時分割は、SOA前後の偏光制御器を用いて偏光分多重し、100 GHzクロック信号を生成した。

離を行い、cw光をデータ光から分離した。

その後LN変調器とパルスパターンジェネ

図11にORゲート入出力波形を示す。同一レータ（PPG）を用いてクロック信号をデ波長方式、異波長方式の両方で100 Gb/sでータ信号に変調した。最後に生成したデーORゲート動作を実証した。さらに図11(c)タ信号を多重器で分波、時間遅延、合波す5より、出力波形消光比は、異波長方式で1.0いて有効であると結論した。

~ 2.5 dBであるのに対し、同一波長方式では今後の課題は、本方式の光加速効果がよ1.5～4.8 dBと0.5 ~ 2.3 dB程度向上した。まりえられる条件の調査。具体的には、入力た、同一波長方式は異波長方式に比べ、パ光波長依存性の評価、SOA注入電流量依存ターン効果を抑制する傾向を示した。これ性の評価、SOA活性層長依存性の評価など

は、同一波長光加速効果によってキャリアが挙げられる。また光加速効果と消費電力が回復したものと判断した。の関係の調査、全光ゲート透過率調査なども必要となる。そして、より全光ORゲート動作速度のさらなる向上や、他方式の全光論理ゲートでの光加速効果実証などへと繋げていく。

参考文献
Y. Liu. E,. et al., JLT, vol. 25, 103, (2007)[2] J. Sakaguchi, et al, Optics Comm., vol. 282,1728, (2009)[3] H. Dong, et al, Optics Comm., vol. 242, 479,
(2004)[4] R. Manning, et al, Opt. Lett., vol. 19, 889,
(1994)[5] J. Sakaguchi, et al, Opt. Express, vol. 15,14887, (2007)[1]

図11 100Gb/s 全光ORゲート入出力時間波形(a) (b): 2系列入力光信号、(c): 出力光信号（赤:同一波長方式、青：異波長方式）[6]

山路健瑠、他、IEICE 東京支部学生会研究発表会第 15 回、(2009)[7]

5. おわりに本研究において、同一波長光加速方式と従来方式でのSOAキャリア緩和時定数と非線形位相シフト量の系統的な評価を行なった。その結果、同一波長光加速方式が従来方式よりも光加速効果が高いことを実証した。本報告の実験例では従来方式より最大1.2倍の加速効果を得た。さらに100 Gb/s全光ORゲートにおいて、同一波長方式が、従来方式よりも光加速効果が高いことを実証した。出力波形消光比は1.5~4.8 dBと、異波長方式よりも0.5 ~ 2.3 dB程度向上した。以上より、本方式は全光ゲートの高速化にお6Y. Ueno, et al, Opt. Soc. Am. B, vol. 19,2573, (2002)