同一波長光加速・偏光分離方式に基づく高速半導体ゲートの研究
電子工学専攻 上野研究室 山路 健瑠

1. はじめにGain

現代のインターネットサービスには高画質な動画や容量の大きなデータ通信の需要が高まり、ネットワークには更なる高速化・大容量化が求められている。そんな高(a) (b)0

速・大容量な次世代ネットワークの実現のため、電気信号を介さない全光ゲートの実λ1 λ2
Wavelength

用化が期待されている。特に、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）

図1. 入力光子密度による利得スペクトルの変動を用いた全光ゲートは超高速応答・低消費(a)SOA内のキャリア密度大（実線）電力・集積化可能性などの観点から、活発(b)SOA内のキャリア密度小（破線）な研究が行われている[1]。SOA は入力光にを高める効果があることを実証した。

対して非線形位相シフトを与える非線形素

2. 原理子として使われ、ゲート動作で用いる非線

図１に一般的なSOAの利得スペクトル形位相シフト量は 0.2 π程度で十分とされてモデル図を載せた。λ 1 とλ 2 はそれぞれいる。また、SOA を用いた全光ゲートの動SOA に 対 す る 入 力 連 続 光 （ continuance

作周波数は SOA 内のキャリアの緩和時間wave, cw光）と入力パルス光の波長を表す。に依存する。一般的にこの緩和時間と非線緩和時間はSOA内のキャリア密度変動に形位相シフト量の間にはトレードオフ関係依存する。そのため、cw光でSOA内のキが存在する[2]。過去の SOA を用いた全光ゲ

ャリアを常に消費し、キャリア密度の定ート研究はバンドパスフィルタ（Band Pass

常レベルを下げることで緩和時間の短縮

Filter, BPF）による信号の取り扱いが容易なが可能となる(Holding Beam 効果, HB効

異波長方式が主流であった。しかし、異波果[3])。一方、非線形位相シフト量はパル長方式では緩和時間と非線形位相シフト量

ス光によって消費されるキャリア数に比のトレードオフ作用を必要以上に高める可例する[4]。

能性が高かった。

以上の2つが要因となり、異波長方式で本研究では異波長方式におけるトレーは緩和時間と非線形位相シフト量のトレドオフの増大作用を示すと共に、SOA へードオフ作用が顕著になる可能性が高か入力する信号の波長を同一波長にするこった。それは、パルス光の利得よりもcwとで、上述の問題を解消し、光加速作用光の利得が大きい領域(図1(a))では、HB効

1果により緩和時間を加速できる。しかし、入力時が 1540 nm、同一波長入力時が 1555

非線形位相シフト量を大きくするには、nm とした。緩和時間測定は入力パルスエ

繰返し周波数を 1.25 GHz、強い強度を持ったパルス光が必要となる。 ネルギを 300 fJ、強いパルスを入力すると、利得スペクト

入力 cw 光強度を-10, -3, 0, +3 dBm の条件

ルは図1(b)の曲線になり、2つの信号に対で行い出力時間波形を相互相関計（Crossする利得の大小関係が反転する。この状

Correlator, XC）で計測した。この時、パ態ではcw光で消費するキャリアが減少し、 ルス光の繰返し周波数を 1.25 GHz へ下げHB効果が弱まるためSOAの緩和時間をる際に、LN 変調器を使用した。また、非増加させる。この利得の反転が緩和時間

線形位相シフト量の測定では入力 cw 光と非線形位相シフト量のトレードオフを

強度を 0 dBm とし、パルスのエネルギを必要以上に高めていた。

増減させ、出力スペクトル波形を光スペ

本研究では cw 光とパルス光を同一波クトラムアナライザ（Optical Spectrum長にすることで、各信号に対する利得のAnalyzer, OSA）で計測した。全ての測定

大小関係の反転を抑え、前述のトレードは SOA への注入電流を 150 mA に固定しオフ作用の増大を抑制することが可能にて行った。
SOA の入出力部には、偏光制御素子をなる。

用いた。これは従来の異波長方式では cw3. 実験構成

光とパルス光に対して BPF による波長分

本研究では異波長方式と同一波長方式離を行っていたが、同一波長方式では波の２つの条件で、緩和時間と非線形位相長分離が不可能なため、cw 光とパルス光シフト量を測定した。その実験構成の概を直交偏光にする偏光分離方式を採用す

要を図 2 に示す。モードロックファイバるためである。同一波長方式で用いたレーザ(Mode Locked Fiber Laser, MLFL)かBPF の役割は、SOA から出力される増幅ら出力した 12.5 GHz のクロックパルスは自然放出（Amplified Spontaneous Emission,中心波長を 1555 nm とした。cw 光光源にASE）を除去するためである。なお、SOAは分布帰還型レーザダイオードは偏光無依存のものを使用した。

Diode,

さらに、実験結果と原理の関連性を調DFB-LD)を用い、その中心波長は異波長べるために、SOA 内のキャリア密度の変(DistributedMLFLFeedback

Laser

動に対する SOA の利得の波長依存性、及PMLN

X.C.
QPH

SOA QP BPF

DFB-LDび上記の緩和時間測定時と同様の条件で、

or

図 2. 実験概要図

SOA の利得スペクトルの測定を行った。

OSA

1.0 nm

4. 結果と結果と考察

QH

Q: Quarter wavelength plate4.1 異波長入力時の異波長入力時の各波長の各波長の獲得利得

H: Half-wavelength plate
P: Polarizer

実際に SOA へ異なる波長の光を入力

PM: Power Meter

したときの強度と利得の変動を測定した。

2実験条件は２つの DFB-LD からそれぞれキャリア密度の値を増減させている。

-20 dBm の cw 光を入力し、SOA への注入

SOA の利得スペクトルは、キャリア密度電流を 0 mA から 250 mA まで増加させたが高い場合はピークが短波長側にシフト時の各 cw 光が受け取る利得を測定した。

し、キャリア密度が低い場合はピークがまた、SOA への注入電流を 150 mA に固長波長側にシフトする。従って、注入電定し、２つの DFB-LD からの cw 光入力強流の増加に伴い、キャリア密度が次第に度を-30 dBm から+3 dBm まで増加させた

増加していくためピークが短波長側にシ時の各 cw 光が受け取る利得を測定した。

フトし、1540 nm と 1555 nm の cw 光が獲

結果はそれぞれ図 3 の(a)と(b)である。

得する利得が次第に反転したといえる。

図 3(a)から、SOA への注入電流を増加

続いて図 3(b)について述べる。図 3(b)させると、1555 nm の cw 光と 1540 nm のでも図 3(a)の結果と同じように各 cw 光のcw 光との利得の大小関係が反転している獲得する利得が反転しているのがわかる。

ことがわかる。この実験は SOA への注入

この実験では注入電流は一定の元で、入電流を増減させることにより、SOA 内の力 cw 光強度を増加させることにより、SOA 内のキャリアを消費することでキャリア密度の低下を促している。従って、Chip gain [dB]20

キャリア密度の低下により、SOA の利得(a)0スペクトルのピーク波長は長波長側にシcw 1540 nm
cw 1555 nm

フトし、1540 nm と 1555 nm の cw 光が獲-20得する利得量が反転したといえる。
これらの結果から、SOA 内のキャリア-40
0100200密度の変動により、制御光と信号光の利300得が反転するという結論が得られる。従Injection current [mA]って、キャリア密度の変動による利得のChip gain [dB]

20変動が緩和時間と非線形位相シフト量のトレードオフ関係を必要以上に高めてい(b)た傍証を得ることが出来たといえる。
cw 1540 nm
cw 1555 nm

104.2 各入力方式による各入力方式による緩和時間による緩和時間
実際に入力方式の違いによる緩和時間波形を測定した後、緩和時間を算出し、0-40

緩和時間の入力 cw 光強度依存性を調査-30-20-10010した。測定条件は注入電流を 150 mA、入Input cw power [dBm]

力パルスエネルギを 300 fJ に固定し、入図 3 異なる波長の獲得する利得の注入電流

力 cw 強度を-10 dBm、-3 dBm、+3 dBmと入力光強度依存性(a)注入電流依存性(b)入力光強度依存性の３種類で行った。

3

実際の緩和時間波形の一例を図 4 に示

200
Recovery time [ps]す。これから同一波長入力時に比べて異波長入力時では利得変調量が大きくなっていることがわかる。また両方式でその利得変調量は cw 光強度を大きくすると小さくなる傾向があった。これは cw 光強度によって SOA のキャリアが消費され、

100
different wavelength
same wavelength

0-20

利得が下がる、HB 効果を表している。
次に、緩和時間の cw 光強度依存性を図るが、本研究では緩和時間の定義を SOA

験結果から得ることが出来た。また、cwの 2 種類の緩和過程のうち、遅い緩和過光強度が弱い場合では入力方式による緩程にのみ着目し、遅い緩和が定常状態の和時間の差は小さいが、cw 光強度を強く1/e（63.2％）まで回復するまでの時間をするに従い、緩和時間に差が出てきてい緩和時間と定義した。図 5 から、入力方る。その傾向は同一波長入力時の方が短式に関わらず入力 cw 光強度を増加させると緩和時間は短縮されることがわかる。
これは前述した HB 効果による作用で、い緩和時間となり、HB 効果が大きい結果となった。その定量的解析を、入力 cw 光強度が 3 dBm の条件で行うと、異波長入HB 光によって SOA 内のキャリアが減少力時の緩和時間が 92 ps であったのに対しキャリア密度の定常状態レベルが下がして、同一波長入力時では 71 ps となった。

るために起きている現象である。異波長その短縮率は約 23 ％となる結果が得ら

入力時では HB 効果が発生することは過れた。

去の研究から知られていたが、同一波長この現象について考察する。実際の cw入力時でも HB 効果が起きることを本実

光の波長にはパルス光も存在するため、両者が利得を奪い、その場合はパルス光

1Relative gain [dB]10

図 5 入力 cw 光強度と緩和時間の関係

5 に示す。なお、緩和時間の定義は種種あの利得が小さくなり、パルス光が消費す0るキャリアが異波長入力時に比べて、同-1一波長入力時では相対的に少なくなる。

different wavelength
same wavelength-2

従って、HB 効果を高めることがいえる。

-3以上により、同一波長方式の HB 効果に-4-5-100Input cw power [dBm]

よる緩和時間加速作用が実証された。
0100200300
Time [ps]400

4.3 各入力方式による各入力方式による非線形位相による非線形位相シフト
非線形位相シフト量
次に異波長入力と同一波長入力による

図 4 緩和波形の一例

非線形位相シフト量を測定し、入力連続

入力 cw 光強度 +3 dBm

光との関係性を調べた。入力パルス光の入力パルスエネルギ 300 fJ
4

0.5

different wavelength
same wavelength20
Chip gain [dB]

Nonlinear phase shift ⊿ΦNL/π [rad]

10.1
0.05

0.01
0.01

Input cw 1555nm -10dBm
Input cw 1555nm -3dBm
Input cw 1555nm 0dBm
Input cw 1555nm +3dBm

1001520 1530 1540 1550 1560 1570Wavelenrth [nm]0.1110100 1000
Input pulse energy [fJ]

図 6 入力パルスエネルギと非線形位

図 7 入力 cw 光強度による SOA の利得相シフト量の関係

スペクトル繰返し周波数は 12.5 GHz とし、SOA への条件と同一条件で測定した。実際の利得注入電流は 150 mA とした。また、SOA

スペクトルの測定結果を図 7 に示す。利

へ入力する cw 光強度を-3 dBm、0 dBm、

得スペクトルは入力 cw 光強度が増加す+3 dBm の３種類で行った。

るに従い、利得を下げ、そのピークが短HB 光強度が 0 dBm の時の非線形位波長側から長波長側へシフトする。これ

相シフト量を図 6 に示した。非線形位相はバンドフィリング効果によるものであ

シフト量は高パルスエネルギ時において、 るが、この現象がはっきりと確認できる。
同一波長入力時が異波長入力時に比べて従って異波長入力時では利得の差が生じ小さくなることがわかった。その定量的ていることがわかる。

解析では、入力パルスエネルギが 266 fJ

さらに、cw 光強度が-10 dBm の条件での場合で、異波長入力時の非線形位相シは 1540 nm と 1555 nm の利得量はほぼ等

フト量は 0.57 πであったのに対して、同しいことがわかる。HB 光強度が-10 dBm

一波長入力時では 0.48 πとなった。減少の場合、異波長と同一波長で緩和時間が率であらわすと約 16 ％となった。

ほぼ等しいのはこの為だと考えられる。

以上の結果について考察すると、異波

そして、同時入力の場合、1555 nm の cw

長入力時ではパルスエネルギの増加に伴光強度を-3 dBm より大きい条件で入射さい、cw 光よりパルス光の利得が高くなる。

せると常に 1555 nm の利得量が 1540 nm

よって、cw 光で消費するキャリアよりもの利得量より大きい。このため、HB 光強パルス光で消費するキャリアが多くなる度が-3 dBm 以上の条件では常に異波長入ために、非線形位相シフト量が増加した

力時は同一波長入力時に比べて、緩和時と考えられる。

間と非線形位相シフト量のトレードオフ

4.4

緩和時間と緩和時間と利得スペクトル利得スペクトルのスペクトルの関係作用がより一層増大していると考えられ

SOA の利得スペクトルを測定することる。

で前節までの現象の裏づけを行う。SOA

4.5 各方式における各方式における緩和時間における緩和時間と緩和時間と非線形位の利得スペクトルは緩和時間を測定した

相シフト量
シフト量の関係5Nonlinear phase shift ⊿ΦNL/π [rad]10.8

ト研究で行われていた異波長入力方式のdifferent wavelength
same wavelength

欠点を指摘し、その解決策として同一波長入力方式を提案し、その有用性を調べ0.6た。

0.4

異波長方式にでは cw 光とパルス光の0.200

利得が異なることから、緩和時間と非線100形位相シフト量のトレードオフの増大作

200

Recovery time [ps]用が必要以上に働いていた可能性があっ図 8 入力方式の違いによる非線形位た。本研究ではそのトレードオフの増大相シフト量と緩和時間の関係作用を顕在化し、同一条件における同一波長方式での測定を行い、同一波長方式

これまでに得られた結果を元に、入力によるトレードオフ作用の増大を抑制し方式による緩和時間と非線形位相シフトた。

量の相対関係について解析する。

結果として図 8 に示したように、同一

図 8 は入力方式別に緩和時間と非線形位相シフト量の関係を表したものである。
これより、入力方式によらず、緩和時間波長方式では、異波長方式に比べて、同じ非線形位相シフト量に対して緩和時間が常に速い結果となった。その短縮率はと非線形位相シフト量のトレードオフ関23％となり、同一波長方式における有用係を確認することが出来る。さらに、入性を示した。

力方式による緩和時間と非線形位相シフ

今後は本方式のより効率的な効果の実ト量の関係について着目すると、同一波証があげられる。本研究の成果は同一波長方式の方が、異波長方式に比べて、同長方式による有用性は示せたものの、当じ非線形位相シフト量に対して緩和時間初見込んでいた効率よりも低い結果となが常に速い結果となった。これは過去のってしまった。また、さらなる上位目標

異波長方式で潜在していた緩和時間と非として、本方式を利用した超高速な全光線形位相シフト量のトレードオフの関係論理ゲートの実現を期待している。

が同一波長方式にすることによって抑制された結果であり、同一波長方式の有用引用文献性を示す証拠と言える。

[1] J. Sakaguchi. et al., Opt Comm., 282,

これらの現象を定量的に解析する。同

2009, 1728-1733.

量の非線形位相シフト量に対する緩和時[2] J. Sakaguchi, et al., Opt. Express., 15,間の短縮率を求めると緩和時間の測定と2007, 14887-14990.

同様に、異波長方式に比べて、同一波長[3] Y. Ueno. et al., ECOC2000, 1, 2000,

方式では 23％の短縮率となった。

13-14..
[4] Y. Ueno. et al., J. Opt. Soc. Am., B19,

5. まとめ2002,2573.

本研究では、過去の SOA を用いたゲー

6