光パルスシンセサイザによる高速光信号パケット生成と短光パルスの伝搬評価
Generation of high-speed optical signal packets and evaluation of short optical pulse transmission by
optical pulse synthesizer
あらまし

高度情報通信ネットワーク社会構築の大前提として、超高速光通信による大容量通信の実現が挙げられる。近年、高速光デバイスの発展に伴い、数 10Gbps の光信号伝送が実現されている。しかし、更にその先にある 100 Gbps を超える信号伝送が行われるようになったとき、それらを電気的に整形、処理することは、電気回路の帯域制限から極めて難しい。そこで、

田中 洋介 (Yosuke TANAKA, Dr. Eng.)筆者らは光信号を光信号のままで高速処理する「時空東京農工大学大学院工学研究院先端電気電子部門准教授間変換光信号処理技術」を用いた光パルスシンセサイ
ザの研究を進めてきた。光パルスシンセサイザは、入(Division of Advanced Electrical and Electronic Engineering,Faculty of Engineering, Associate Professor, Tokyo Universityof Agriculture and Technology)
電子情報通信学会
SPIE

応用物理学会

日本光学会

IEEE

射光信号の位相・振幅スペクトルを自在に制御することが可能で、原理的に 100 Gbps を超える高速信号であっても任意のパケットパターンを整形可能である。こ

OSA

会員

れにより、将来の超高速時間分割多重光通信の可能性

著書：黒川 田中「プラスチックオプティカルファイバの基礎と実際 (小池 宮田監修)」第１章-第３章 pp. 3-30

NTSがひらかれてくる。また、光パルスシンセサイザの持2000 年

つ帯域 100 GHz を越すスペクトル処理能力を活かすこ研究専門分野：光エレクトロニクスとで、極めて短い光パルスを合成することが可能となる。
本稿では、光パルスシンセサイザによる高速光信号パケットの自動整形、ならびに様々な光パルスの光ファイバ伝搬特性評価への応用を紹介する。
１．はじめに

黒川 隆志 (Takashi KUROKAWA, Dr. Sci.)
東京農工大学大学院工学研究院先端電気電子部門教授現在、情報通信ネットワークには、文字、音声、静止画、動画など様々な情報が飛び交っている。伝送デ(Division of Advanced Electrical and Electronic Engineering,Faculty of Engineering, Professor, Tokyo University ofAgriculture and Technology)

ータ容量の増大は留まることを知らず、最近では立体映像データの伝送まで求められている。このような大量の情報伝送を実現するために、高速な光通信システ

電子情報通信学会 応用物理学会 日本光学会 IEEE OSA 会員
受賞：2007 年

応用物理学会フェロー表彰 1990 年
1989 年

会議 最優秀論文賞

OEC’90 国際

ムの開発が急務となっている。光通信は、光自体の周MOC/GRIN’89 国際会議 最優秀論

波数が 200 THｚもの高周波であるため、原理的には、

文賞

数 100 Gbps の高速信号であっても伝送可能となる。技著書：演習で身につくフーリエ解析（黒川 隆志・小畑 秀文著）共光情報通術の進歩に伴い、最近では 40 Gbps の変調器が既に製

光情報工学 （黒川隆志

品化され、市場に出ている。しかし、今後、必要な信編著 / 滝沢國治 編著 / 徳丸春樹 著 / 渡辺敏英 著）コロナ社

号伝送速度が数 100 Gbps 以上になると、電気回路の帯立出版

2005 年

光機能デバイス 共立出版

信技術ハンドブック
2001 年

コロナ社 2003 年

2004 年

プラスチックオプティカルファイバの基礎と実際

ヌ・ティー・エスエ

域制限から、もはや電気的な制御方法では対応でき

2000 年ない。

研究専門分野：光エレクトロニクス

そこで、筆者らは、「時空間変換光信号処理」を原理とする光パルスシンセサイザを開発し、電気的な信号処理の限界を超える 100 Gbps 以上の超高速な光信号の整形、制御を検討した。パルス光シンセサイザを用
1

TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

光パルスシンセサイザによる高速光信号パケット生成と短光パルスの伝搬評価
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optical pulse synthesizer
いれば、100 Gbps の光信号に対し実時間で特定の処理布をもったフィルタに通し、各周波数成分の強度や位を施したり、100 Gbps のパケット生成が可能になる。

相を並列に制御する。
あとは、
再び回折格子によって、こうした応用は、複数のデジタル信号を時間領域で一各周波数成分を合成すれば、所望の時間波形を有する

定 の 間 隔 で 配 置 し て 伝 送 す る 時 分 割 多 重 (Time

光信号が得られる。これが時空間変換光信号処理で、division multiplexing：TDM) 光通信の超高速化につな高速なデバイスを用いることなく、光信号の並列処理がる。また、帯域 100 GHz を越すスペクトル処理能力によって高速信号の生成や制御が可能な有効な手段でを活用すると、超短光パルスや、ソリトン光通信のたある。

めの種パルスを自在に生成することができる。本稿で

時空間変換光信号処理は当初、短光パルスの記録とは、光パルシンセサイザとその応用について、これま生成の観点から提案された (1),(2)。フェムト秒の短光パでの成果のいくつかを紹介する。

ルスは、非常に広い周波数帯域に渡ってスペクトル成分を持つため、大きな回折格子が必要になる。しかし、

２．時空間変換光信号処理と光パルスシンセサイザ

光通信で必要な光パルスは、超高速な場合でも 10 ピコ超高速な光信号として、例えば、100 Gbps 8bit の秒から数ピコ秒程度なので、大きな回折格子は必要な光信号パケットを考えてみる。この信号パケットは、1い。また、高い安定性が要求される実際の光通信シスまたは 0 に対応する 8 つの信号列からなる。1 つの信テムへの応用を考えると、空間光学系の利用は望まし

号パルスはわずか 10 ピコ秒、パケット全体で 80 ピコくない。

秒と極めて短い。このような超高速信号を正面から時そこで、実際の光通信に応用可能なよう、アレイ導間領域の操作で生成したり、処理したりすることは、波路格子(Arrayed waveguide grating: AWG)(3)をベース

特に電気回路の処理速度の制限から、非常に難しい。とする光導波路による時空間変換光信号処理が提案さしかし、所詮 1 と 0 の信号を作るだけなの単純な話なれている(図１)(4),(5)。
AWG は波長分割多重 (Wavelengthので、何か打開策はありそうに思える。

division multiplexing: WDM) 光通信システムの分波器

ここで、例え話をしたい。引っ越しで、次から次へとして開発されたデバイスだが、その分光機能に着目とトラックから積みおろされる荷物の仕分けをするとすれば、時空間変換光信号処理に活用できる。しかも、き、どうするだろうか。一人でそれぞれの荷物を所定

AWG は光通信用デバイスのため、コンパクトで安定の場所に運ぶのでは、時間もかかるし身も持たない。

性を備えているのは勿論のこと、光通信にマッチしたこの種の単純作業は、大勢の手伝いを借りるに限る。

周波数分解能と時間幅で波形整形ができる。これは、各人に予め担当の荷物と運ぶ場所を割り当てておけば、一般の回折格子が 1 次の回折を利用するのに対し、あとはそれぞれ自分が担当する荷物だけに集中すればAWG では高次の回折光を利用することによる。

よいので、一人一人は特に急がなくてもあっという間開発した光パルスシンセサイザは、AWG の出力導に仕事は片付いてしまう。実は、時空間変換光信号処波路それぞれに強度制御器、位相制御器、ミラーを取理は、これと全く同じことをする。光信号を異なる周り付けたもので、4 インチの石英基板上にモノリシッ波数成分に分け、それぞれを平行して処理するのでクに集積化されている。AWG の出力導波路数は 30 チある。

ャネルで、隣接チャネル間隔は 12.5 GHz である。光パ

光信号の異なる周波数成分を分離するには、回折格

ルスシンセサイザへの入射光は、AWG のチャネルと子を使えばよい。回折格子からの出射光は、周波数毎同じ中心周波数、および周波数間隔を持つスペクトルに異なる方向に進む。この過程は、光信号の時間からをもつ必要がある。このようなコムスペクトルは、2空間への変換と解釈できるため、時空間変換と呼ばれ台の LN 位相変調器の縦列接続により生成でき、30 本る。回折格子によって得られる空間ビームの強度分布以上の平坦で安定なスペクトルの発生が確認されては、もとの光信号の強度スペクトルと同じ形をしていいる。

る。そこで、出射ビームを適当な透過率分布や位相分
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Generation of high-speed optical signal packets and evaluation of short optical pulse transmission byoptical pulse synthesizer

入射光（光周波数コム）

光パルスシンセサイザ
強度制御器 位相制御器

f1 f2

fN ft

f1f2

時間波形

出射光（整形波形）

ミラーAWG

スペクトルfN
電流制御器

f1 f2t

fN f

スペクトル

時間波形

図１ 光パルスシンセサイザによる時空間変換光信号処理

３．高速光信号パケットの自動生成ライザの出力を観測して行えばよいので簡単に行える。

開発した光パルスシンセサイザを用いて、まず 100

一方、光スペクトルの位相を直接観測する手法はない

Gbps 8bit の光信号パケットの生成を試みた(6)-(10)。

ため、遺伝的アルゴリズム(Genetic algorithm: GA)を

図２に入射光のコムスペクトルを示す。このコムスペ用いたフィードバック制御系を構築した(図３)。この

クトルの強度と位相を光パルスシンセサイザによって、制御系では、光パルスシンセサイザの出力波形を自己所望の光信号パケットが得られるように調整した。光相関器、または高速な光サンプリングオシロスコープ

スペクトルの強度調整は、単純に光スペクトラムアナで観測し、目標波形との誤差ができるだけ小さくなる

図２ 光周波数コムスペクトル
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Generation of high-speed optical signal packets and evaluation of short optical pulse transmission byoptical pulse synthesizer

光パルスシンセサイザ
12.5 GHz

f1
f2

ミラーAWGf

光周波数コム光源

強度制御器 位相制御器

fN12.5 GHzf

光スペクトラムアナライザ
または自己相関器

電流制御器

制御信号
コンピュータ
目標データとの比較

図３

光パルスシンセサイザとフィードバック制御による高速パケット生成

ように GA で計算した制御電圧を位相制御器に印加す制御電圧が一旦わかってしまえば、制御電圧の切り替る。この操作の繰返しにより、特定のパケット整形にえで、リアルタイムに光パケットの切り替えができる必要な制御信号が得られる。そして、(0,0,0,0,0,0,0,0)ようになる。図４に、得られた 100Gbps 8 bit パケッから(1,1,1,1,1,1,1,1)まで、各光パケット生成に必要なトの 1 例とその実時間切り替えを示す。0 信号の一部

図４

８ビット 100 Gbps 光パケットとその実時間切り替え
4TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER光パルスシンセサイザによる高速光信号パケット生成と短光パルスの伝搬評価
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optical pulse synthesizerに起伏が見られるが、これは、光サンプリングオシロに短光パルスのパルス幅やピークパワー等を思い通りスコープの測定分解能に起因するものであることが確に変化させ、伝搬特性の評価ができる。もちろん、10認できている。
光信号の切り替え再現性は非常に良く、GHz 以上の高繰返しパルスの整形も問題なく行える。

日数をあけて同一の実験を行った場合も、同様の結果

図５に、光ファイバへの入射光として、光パルスシが得られた。

ンセサイザで整形した光パルスの光ファイバ (2 km)
伝搬前後の波形 (自己相関波形) を示す。生成した光パルスは、数学的には sech2 型と呼ばれる波形となっ４．短光パルスの光ファイバ伝搬特性評価開発した光パルスシンセサイザを使えば、約 400ている。ピークパワーが 6.9 W のときには、パルス波GHz に渡る広帯域な光スペクトルを自由に整形し、形が広がっていないことがわかる。sech2 波形の短光パ様々なパルス波形を生成できる。そこで、光パルスシルスで、パルス幅とピークパワーを変化させ、伝搬後ンセサイザを利用して、様々な波形をもつパルスの生の波形が変化しない場合のデータを図６にプロットし成を試み、光ファイバの伝搬特性を調べた(11)-(13)。光ソた。
グラフ中の実線は、ソリトン伝搬条件の理論値で、リトンの伝搬特性の評価は、従来から様々なレーザを実験結果が理論と良い一致を見ていることがわかる。

用いて行われている。しかし、1 台のレーザで発生でこのように、光パルスシンセサイザを使えば、様々きる短光パルスの形状は限られている。また、10 GHzな波形の光の伝搬についてこれまで理論で予想されて以上の高繰返しパルスの評価は、ほとんどない。これいたことを実際に実験で実証可能になる。
その意味で、に対し、光パルスシンセサイザを利用すれば、系統的光パルスシンセサイザへの期待は非常に大きい。

伝搬前

伝搬前

2km伝搬後光強度[a.u.]
Intensity[a.u.]

光強度[a.u.]
Intensity [a.u.]

2km伝搬後

110.8
0.6
0.4
0.2

0.8
0.6
0.4
0.2
0-30 -20 -10 0 10 20 30
Delay Time [ps]0-30 -20 -10 0 10 20 30
Delay Time [ps]

遅延時間[ps]

遅延時間[ps](a)ピークパワー1.2 W(b)ピークパワー6.9 W

図５ sech2 型短光パルスのファイバ伝搬前後の波形

5TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

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optical pulse synthesizer

ピークパワー [mW]

10Sech2型光パルス
理論曲線864200246810

パルス幅 [ps]図６波形を維持して伝搬する短光パルスのパルス幅とピークパワーの関係(3) H. Takahashi, S. Suzuki, and I. Nishi, “Wavelength

５．おわりに時空間変換光信号処理を原理とする光パルスシンセ

multiplexer based on SiO2-Ta2O5 arrayed-waveguide

サイザと、それを用いた高速光信号パケットの自動生

grating,” IEEE J. of Lightwave Technol., Vol. 12, No.

成、ならびに光ソリトンを始めとする様々な光パルス

6, pp. 989-995, (1994).の光ファイバ伝搬特性評価への応用を紹介した。光パ(4) T. Kurokawa, H. Tsuda, K. Okamoto, K. Naganuma,

ルスシンセサイザは、もともとは光通信への応用を念H.

頭に置いて開発した。しかし、今や、その応用範囲は、

space-conversion optical signal processing using

光情報処理、光計測、光信号制御など、非常に多岐に

arrayed-waveguide grating,” Electron.. Lett., 33 (22),

わたり、ここで紹介した以外にも様々な研究が筆者ら

pp. 1890-1891, (1997).

によって進められている(14)-(17)Takenouchi,

Y.

Inoue,

M.

Ishii,“Time-。本稿では、できるだけ(5) K. Mandai, D. Miyamoto, T. Suzuki, H. Tsuda, A.

多くの読者に、光を自在に操る光パルスシンセサイザ

Aizawa, and T. Kurokawa, “Repetition rate and centerが拓く魅力的な世界への案内を試みた。この分野へのwavelength-tunable optical pulse generation using an

関心を持って戴けたなら、幸いである。

optical comb generator and a high resolution
arrayed-waveguide grating,” IEEE Photon. Technol.

参考文献

Lett., 18 (5), pp. 679-681, (2006).

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6TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

光パルスシンセサイザによる高速光信号パケット生成と短光パルスの伝搬評価
Generation of high-speed optical signal packets and evaluation of short optical pulse transmission by
optical pulse synthesizer(7) Y. Tanaka, R. Kobe, S. Takeda, T. Shioda, H. Tsuda,

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Tanaka, and T. Kurokawa, “Supercontinuum comb

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nonlinear dispersion-shifted fiber,” Japanese Journal

Conference on Asia-Pacific Optical Communications),of Applied Physics 48, (2009). 09LF01，(6 pages).
(17) T. Shioda, T. Mori, T. Sugimoto, Y. Tanaka, and T.

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(9) H. Tsuda, Y. Tanaka, T. Shioda, and T. Kurokawa,

Kurokawa, “High-resolution spectroscopy based on“Analog and digital optical pulse synthesizers using

optical phase modulator and optical frequency comb,”

arrayed-waveguide gratings for high-speed opticalOptics Communications, Vol. 282, No. 14, pp.2909-

signal processing,” IEEE/OSA J. Lightwave Technol.,

2912, (2009).

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(10) Y. Tanaka, R. Kobe, T. Shioda, H. Tsuda and T.
Kurokawa, “Generation of 100-Gb/s packets having
8-Bit return-to-zero patterns using an optical pulse
synthesizer with a lookup table ”IEEE Photon.
Technol. Lett., Vol. 21, No.1, pp.39-41, (2009).
(11) K. Kashiwagi, Y. Kodama, R. Kobe, and T. Shioda, Y.
Tanaka, and T. Kurokawa, “Fiber transmission
characteristics of optical short pulses generated by
optical pulse synthesizer,” Journal of Applied Physics
Vol. 48, September, (2009). 09LF02，(4 pages)．
(12) Y. Kodama, K. Kashiwagi, Y. Tanaka, and T.
Kurokawa, “Fiber transmission characteristics ofopticalsolitons

generatedbyopticalpulse

synthesizer,” Proc. CLEO/PR” Proc. CLEO/PR,
WH3-4, Shanghai, China, Sept.2, (2009).
(13) H. Ishizu, K. Kashiwagi, Y. Tanaka, and T. Kurokawa,“Fiber transmission characteristics of parabolic pulses
generated by optical pulse synthesizer,” Proc. 15th
Microoptics conference (MOC’09), pp. 262-263,(2009).
(14) W. Qiao, K. Mozawa, K. Kashiwagi, Y. Tanaka, and T.
Kurokawa, “Generation of phase only pulses using
optical pulse synthesizer,” Appl. Phys. Exp., Vol. 4,
この研究は、平成１９年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として

No.9, pp. 092703-1-3, (2011).

採用され、平成２０年度～２２年度に実施されたものです。

(15) W. Qiao, K. Mozawa, K. Kashiwagi, Y. Tanaka, and T.
7

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