光加速中の半導体光増幅器を用いる複素スペクトル合成方式全光ゲートの研究
先進理工学専攻 上野研究室 山本 輝
1． 序論

次に、光加速を利用する場合、SOA に入半導体光増幅器(SOA)を含む全光ゲート力する cw 光を徐々に強めていくと飽和出は、超高速光通信に必要な波長分割多重方力強度を目安に利得が飽和して SOA のキャ式を実現する装置として期待されており、リアの定常状態レベルが低下する。このと既に複素光スペクトル合成器(OSS)を利用き、先と同様にパルス光を加える。SOA はする全光ゲート(OSS-Gate)方式が提案され、既に飽和しているためパルス光の増幅に使その有効性が示されている[1,2]。

われるキャリアが減少する。注入電流は一本研究の目的は OSS-Gate の強度・位相制御定であると仮定すると回復速度は同じであフィルタプロファイルの設計手法を開発し、るため、cw 光が強い方が短い時間で定常状人工的に波形を整形・制御することで 300態に戻ることができる。

GHz 級の OSS-Gate 方式超高速全光ゲートを光加速効果により短縮される時定数は次達成することである。

式で表すことができる。

一般に、SOA を利用する全光ゲートの動作周波数限界は SOA のキャリア緩和時間に依(1)存する。そのため研究目的を達成するためにはキャリア緩和時間を短縮する必要があり、既に、SOA へ入力する連続光(cw)強度

~ は光加速効果によって短縮された緩和を高めていくことで光加速効果を利用する時定数、 は光加速を利用しないときの緩方法やバンドパスフィルタを用いる方法が和時定数、P1 は入力する cw 強度、Psat は提案され、これらの光加速効果を用いた遅SOA の飽和出力強度である。

延干渉型などの全光ゲートの出力波形の高この式をもとに短縮された緩和時定数を計

速動作検証は既に多数報告されている

算した結果を図 1 に示す。

[3,4,5]。
今回は、はじめて SOA に光加速作用を加えて緩和時定数を短縮した OSS-Gate 方式の出力波形特性を検証したので報告する。
2.

光加速の原理光加速を利用しない場合、SOA に cw 光とパルス光を同時に入力するとキャリアがパルス光の増幅に消費されて減少し、その後、注入電流によってキャリア密度が回復する。

1

度が強くなるほど短くなっていくことがわ
60かる。また、図 4 を見ると緩和時定数の短飽和出力強度50

縮は強度が強くなるにしたがって徐々に緩40やかになっていることがわかる。

30

第 1 緩和時定数は cw 強度+5 dBm のとき

20に最も短く実測値で 25 ps、-10 dBm のとき1045 ps であった。

0-20-1001020

図 1 緩和時定数の短縮効果
光加速効果による緩和時定数の短縮は

図 2 光加速効果の観測実験

SOA 自身の飽和出力強度に依存することがBPF: Band Pass Filter, OSO: Optical

わかり、入力光強度を十分に高める必要がSamplingあることがわかる。

Spectrum Analyzer, VOA: Variable OpticalOscilloscope,

OSA:OpticalAttenuator3.

光加速効果の観測実験
0.03

光加速効果の観測実験の構成を図 2 に示す。パルス光源（MLLD、繰り返し周波数：0.02

10 GHz, 波長：1550 nm, 時間幅：2.7-3.0ps）から出力したパルスとレーザ光源から0.01出力した cw 光（波長：1545 nm） を SOA モジュール（応用光電研究室社製：注入電流0050100100 mA）に同時に入射した。SOA 内で相互利得変調（XGM）と相互位相変調（XPM）を

図 3 cw 強度毎の緩和時間波形受けた cw 光のみを、5 nm 帯域幅の BPF に80より透過して観測した。まず、光加速効果の起きる cw 強度を決めるために、cw 光強60度を-30 dBm から+5 dBm まで徐々に強めていき、非線形位相シフト量、時間波形を測40定した。このとき、パルスを 80 GHz まで多20重化した場合についても同様に測定した。
入力パルスエネルギーはすべての実験で 400-30fJ/pulse に平均強度を観測しながら調整し-20-100た。まず、繰り返し周波数 10 GHz のときのXGM 波形を図 3 に示す。緩和時定数は cw 強

図 42cw 強度に対する緩和時定数10次に、繰り返し周波数を 80 GHz まで多重化したときの XGM 波形、光スペクトル波形(c)を図 5 に示す。図 5(a)および(b)を見るとcw 強度が強いほど利得変調量が低下していることがわかる。また、図 5(c)を見るとcw 強度が強まるほど、ASE レベルが下がり、中心波長と短波長側の隣のピークとの差が大きくなっていき、非線形位相シフト量が減少していることがわかる。これは、キャリア密度の定常状態が低下し、光加速効果

図 5 実験結果が表れていることを示していると判断した。

(a)相互利得変調（XGM）波形

また、計算モデルを用いて第 2 緩和時定

cw: +5 dBm

数は cw 強度+5 dBm のとき 8 ps、-10 dBm(b)相互利得変調（XGM）波形のとき 4 ps である

cw: -10 dBm(c)相互位相変量（XPM）スペクトル波形(a)図 5(c)に示した光スペクトルから非線形位相シフト量を示した結果と SOA に cw のみ入力した場合の飽和特性を図 6 に示す。
cw 光強度が-10 dBm を超えると NPS が減少するとともに、緩和時定数が短縮していくことがわかる。この結果より、光加速効果を利用できる cw 強度として+5 dBm を選択し、非加速状態を-10 dBm とした。

(b)

図 6 飽和利得特性と NPS 量

34. シミュレーションによる OSS-Gate 動作(b)Intensity (dB)

プロファイル設計
2 節の実験結果をもとに、シミュレーションによる位相スペクトルの予想を行った結果が図 7 である。SOA 出力の位相スペ
クトルは中心波長成分と、その近傍成分はほとんど同一であるのに対して、中心波長Wavelength,  - cw (nm)成分からは離れるにつれて差異が大きくな+1.0 (c)Phase, f/Transmittivity, T f (dB)

ることがわかる。

0-20-40-2-100-1.0+1 +2-2-10+1 +2

Wavelength,  - cw (nm)Wavelength,  - cw (nm)図 7 SOA 出力位相スペクトル

図 8 OSS-Gate の出力波形と位相プロファ
図 5(a)(b) お よ び 図 7 の 結 果 を も と にイル

OSS-Gate 出力波形のシミュレーションを行(a) 出 力 時 間 波 形った。

(c)位相制御プロファイル(b) 出 力 ス ペ ク ト ル

位相制御については図 8(c)のように長Intensity (a. u.)

1.5波長側成分、短波長側成分、中心波長成分(a)の 3 つの帯域に区別して位相制御量を調節1.0し、強度制御については図 8(b)のようなスペクトル強度を持つように制御することで0.5

図 8(a)のような歪のない時間波形を得る
0ことができる見込みがたった。次節以降、-200+20

この設計結果を用いた実験結果について述Time (ps)べる。
5. OSS-Gate 実験構成・実験結果
OSS-Gate の実験構成を図 9 に示す。

4MLLD(時間幅：2.7-3.0 ps）の出力を光時分割多重器（MUX）で 80 GHz に多重し、cw 光(a)と同時に SOA へ入射した。変調を受けた cw
光のみを、5 nm 帯域幅のフィルタにより透過し、帯域可変スペクトルシェイパ(VBS)に入射した。本研究では、オプトクエスト社製 VBS を用いて実験を行った。
VBS は最大強度消光比: +40 dB、最大位相制御量、周波数分解能: 10 GHz の性能を有している。
(b)

図 9 OSS-Gate 実験構成
VBS: Variable Bandwidth Spectrum Shaper
歪のない出力パルス波形を得られるよう

図 10 モデルに忠実な制御を施した際のにプロファイル設計し、VBS にプロファイ

出力波形

ルに忠実な強度・位相制御を施して出力波(a)時間波形 (b)スペクトル形を観測した。
結果を図 10 に示す。モデル通りに設計

そこで、経験的に短波長成分を優先させした場合の消光比は著しく低い結果となってモデルに一致させて出力波形の改善を試た。これは、実験時に VBS への過入力を避みた。結果を図 11 に示す。

けるために VBS 直線に減衰器を配置して信80 GHz クロック波長変換において、cw 強度号強度を減衰させているのに加え、モデル+5 dBm のとき最大で消光比 12 dB,パルス幅に対して忠実な強度分布を実現するため、

5.1 ps のパルスを得た。このときの VBS 制

中心波長成分を強く減衰させていることで御位相プロファイルを使用したまま、出力観測系に使用している EDFA へ入力されるスペクトルの各ピーク間の強度比を保ち信号強度が小さくなってしまったためであながら cw 強度を徐々に弱めていくと、消ると推測している。

光比の低下とともに、波形の立ち上がり、立下り部に歪が見られ、パルス幅が広がっていった。

56．結論SOA の光加速作用を利用した OSS-Gate 方式で繰り返し周波数 80 GHz の波長変換を検証した。光加速効果を実際に観測し、SOA の緩和時定数は cw 強度+5 dBm のとき、25 ps,-10 dBm のときに 45 ps となった。80 GHz で(a)の OSS-Gate 実験においてはスペクトルの強度分布・位相プロファイルを固定したにも関わらず、cw 強度を弱めると波形が変動したことから、光加速効果を用いた OSS-Gate を行う場合には位相プロファイルの調整が必要であることがわかった。この原因としては、(b)

光加速効果の強弱が、SOA 内部のキャリア密度の振動へ影響を与え、結果として出力位相スペクトルに変動をもたらしたためであると考えている。この結果はデータ信号を用いる際に、パターン効果による出力信号強度、消光比のばらつきだけでなく、波形歪の発生の可能性を示している。今後は、データ信号

図 11 出力波形(a) 時間波形 (b)光スペクトルと位相プロファイルを入力した場合の OSS-Gate 出力波形特性の検証を行っていく予定である。

cw 強度を弱めると消光比が低下する主な原参考文献

因は第 1 緩和時定数の増大であると考えられ[1]Y. Ueno et al., Optics Express 14, 2006,

る。今回の結果より、OSS-Gate 方式において12655.

も光加速効果を利用することで出力波形消[2]T. Nishida et al., LEOS 2009, TuB4,

光比を改善することができることを実証し143.

た。一方、VBS 位相制御プロファイルを固定[3]R. J. Manning et al., Opt. Lett. 19,

し、スペクトルのピーク間強度比を一定に保

1994, 889-991.っているにもかかわらず波形歪が表れた原[4]Y. Liu et al., OSA/IEEE J. Lightwave

因は、光加速の強度を弱めたことで SOA 内部

Technol. 25, 2007, 103.のキャリア密度の定常状態が変わり、出力光[5]J. Sakaguchi et al., Jpn. J. Appl. Phys.の位相スペクトルを変動させているためで

47, 9, 2008, 7182-7189.

あると推測している。

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