高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

この問題解決のため MZDI 位相バイアスを短波長側に-0.12rad シフトした結果、ビット誤り率（BER）測定においてサブパルス抑制によるパワー・ペナルティ改善の傾向が見られた。また、同時に BPF 透過波長の短波長側への-0.15nm 離調条件において、伝送時の分散による波形劣化の主要因となる長波長成分を除去できるため、25km シングルモード・ファイバ（SMF）伝植之原 裕行(Hiroyuki UENOHARA, Dr. Eng.)

送時においてもパワー・ペナルティを改善可能である

東京工業大学精密工学研究所教授

結果が得られた。

(Precision and Intelligence Laboratory, Professor, Tokyo
Institute of Technology)
IEEE/IPS

応用物理学会

電子情報通信学会

受賞：1991 年

SSDM Young Researcher Award

１．はじめに会員
1996 年

近年のインターネットの成長と、IP 上にあらゆるア電子プリケーションを載せる傾向により、IP 系トラフィッ

情報通信学会学術奨励賞
研究専門分野：フォトニックネットワークシステム

クは年率 1.3 倍程度で増大し、日本国内のトラフィッ

光信号処理

ク総量は 1.5Tbps を超えている（2011 年 9 月 30 日総務光集積デバイス

省公表データによる）。 近い将来 10～100 倍に増加するデータを高効率かつ低遅延で処理可能なルータ実現
あらましへの要求が高まっており、速度限界と消費電力増大の近年のインターネットの成長によるデータ課題をかかえる電子回路に代わって光信号処理による増大に対して、高効率かつ低遅延で処理可能なルータ解決のアプローチ（光パケットスイッチ（Optical Packet

実現への要求に応えるため、電子回路の速度限界と消Switch, OPS））が積極的に取組まれてきた(1)-(5)。

費電力増大の課題を解決するための光信号処理を導入

光パケットスイッチの重要な機能の中でも最も重要した光パケットスイッチ実現が期待されている。光パで、かつ技術的な課題が多い光バッファについては、ケットスイッチの重要な機能の中でも最も重要でかつ光ファイバ遅延線(6),(7)・光ファイバループ(8)・分散制御

技術的な課題が多い光バッファについては、光ファイ型 (9) ・光双安定デバイス (10) ・スローライトデバイス

バ遅延線・光ファイバループ・光双安定デバイス・ス(11)-(14)ローライトデバイスなど取組まれているものの、要求など取組まれているものの、要求されるパケット長以上の蓄積時間（数 10ns～s）や数 10 以上の入されるパケット長以上の蓄積時間（数 10ns～s）や数出力に対応可能な技術が実現できず、光パケットスイ10 以上の入出力に対応可能な技術が実現できず、光パッチ実現のさまたげとなってきた。

ケットスイッチ実現のさまたげとなってきた。

ところが 2005 年頃に光パケットのバッファ性能とそこで本研究では、波長多重効果によるパケット競しては 20 パケット程度の蓄積でスループット 80% 程合の低下を期待できる構成を前提に、半導体光増幅器度まで確保可能であるとの理論検討がなされ、現状の（SOA）と１ビット遅延干渉計（DISC）型波長変換器光デバイス技術での実現性が見直されてきた(15)。

による性能向上を目指した。10Gbps ７次 M 系列信号

本研究グループでは、パケット単位でのバッファ性を対象として自由スペクトルレンジ（FSR）40.12GHz能が実現可能な点から、遅延線、光スイッチ及びスケの MZDI を用いた DISC 出力信号のビット誤り率評価

ジューラを用いた構成を検討している。図１に OPS のを行ったところ、遅延干渉計の位相バイアス 0rad、バ構成図を示す(16)。波長多重された光パケットを入力後、ンドパスフィルタ（BPF）の透過中心波長の離調 0nm波長分波器（Arrayed Waveguide Grating, AWG）によりの条件では波形が崩れる傾向が見られた。この原因は各波長に分離する。パケットのアドレス情報をラベルMZDI 分岐比が１：１であり、時間遅延成分のサブパ識別器で認識した後、アドレスに対応する出力への転ルスの影響が顕著となった結果と考察された。
そこで、
1

TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

Optical Packet Switch

Buffering System

Scheduler

T-LD

Linecard

TWC

AWG

AWGR

WC

Input #1

Output #1

TWC

Input
TWC
AWGR

Input #2
AWG

Output #2

TWC

Label Recognition
OSPC,ODAC,etc.

TWC

l-Switch

AWGR

TWC
TWC
TWC

Delay Lines
T-LD : Tunable Laser Diode
WC : Wavelength Converter
l-Switch
TWC : Tunable Wavelength Converter

図１

波長変換スイッチを用いた光パケットスイッチ・光バッファの構成図

送の可否・バッファが必要な場合の遅延時間をスケジ

速度 40Gbps 級の高速動作が可能で波長依存性・偏ューラで解析する。光バッファは異なる長さの光ファ波依存性ともに低い波長変換器として、半導体光増幅イバで構成される遅延線、入力部・出力部の光スイッ器（Semiconductor Optical Amplifier, SOA）をマッハ・チ、スケジューラで構成され、波長変換型光スイッチ

ツェンダー干渉計（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）を所望の経路間で接続できるようスケジューラにより中に２個持つ SOA-MZI 型波長変換器の研究が精力的制御する。更に波長変換型光スイッチは、高速波長可に行われきた(17)。しかしながら、SOA の利得飽和領域変レーザ （電流注入型などの ns オーダで波長切替ので動作させるために必要なバイアス電流値として可能な SSG-DBR-LD,SG-DBR-LD など）・波長変換器・200mA～500mA が一般的であり、消費電力が高くなるAWG ルータ（AWGR）で構成される。波長変換型光課題があった。本研究では、 1 個の SOA により実現スイッチを用いることで波長分割多重（WDM）によできることから低消費電力化が期待できるため、SOAり、パケット棄却率低下が可能となる。したがって、と遅延干渉計を用いた波長変換器（SOA-based Delayed

波長変換器の性能向上が波長変換型光スイッチおよびInterference Signal wavelength Converter, SOA-DISC)(18)

OPS 実現のためには重要なポイントとなる。の導入を検討している。
2TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

光スイッチとして DISC を用いるためには、波長変報告する。

換による劣化を減らす等の波長変換特性の向上が必要となる。DISC の波長変換特性向上のための方法とし

２．DISC 型波長変換器の動作原理て、位相オフセットと BPF 離調による波形改善効果(19)、

図２に DISC 型波長変換器の構成図(a)ならびに動離調による消光比改作原理(b)を示す。 DISC では SOA１個に対して波長善効果(22)、パターン効果の性能予測 (23) について報告

λ1 の信号光と、異なる波長λ2 のＣＷプローブ光を合されている。しかし、パワー・ペナルティによる評価波した上で入力する。出力信号には信号光の増幅成分は行われていなかった。また、光パケットスイッチにに加えて、信号光の誘導放出の際のキャリア密度変化用いるためには伝送特性向上の検討を行うことも重要にともなう位相変化（いわゆる相互位相変調、Crossとなる。

Phase modulation, XPM）の影響を受けたプローブ光波形劣化の要因検討(20),(21)、BPF

そこで本報告では､Mach-Zehnder Delay Interferometerが混ざる。後者について、時間遅延Δt の MZDI を通(MZDI) 位相オフセットと BPF 離調を行うことにより、すことにより、主に XPM の時間変化を強度変化に変SOA-DISC 型波長変換出力の波長変換特性及び伝送特換することとなり、適切な時間遅延の MZDI、信号光・性の向上について、BER 測定により検討を行ったのでプローブ光パワーを選ぶことにより、波長λ1 の信号(a) 構成図(b)

動作原理

図２ DISC 型波長変換器の原理説明

3TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

光と同じビット系列の強度変調信号を波長λ 2 に波長ッチ応用を意識し、転送には不要の入力信号光の出力変換できることとなる。MZDI の後段（あるいは前段）への混入を避けられ、従って高速な波長可変 BPF がに波長λ2 を選択する波長フイルタ（BPF や AWG）を不要にできることを狙って、入力信号光を SOA に対接続することによって、所望の波長変換信号を得るこして後方から光サーキュレータを介して入力した。入とができる。

力部での平均光パワーは -6dBm とした。CW プロー

図２(b)に示すように、SOA 内で生じる位相シフト

ブ光は、もう１台の波長可変レーザ（T -LD2）からのを MZDI で強度変換する際に、一般的な MZDI のカプ出射光を光アイソレータを介して SOA の前方から入ラ分岐比が１：１のため、時間遅延Δt より遅れた時力した。波長 1540nm、光パワーは+3dBm とした。

間にサブパルスが発生する。このサブパルスが波形品

SOA としては CIP 社（現 Huawei 社）の SOA-NL-質・伝送特性を劣化させる要因となるため、以下でそOEC-1550（仕様上の特性は、波長 1550nm での飽和の様子を観察すると共に、性能改善の手段を検討した。

光 出 力 +9.1dBm 、 利 得 31.5Db 、 利 得 飽 和 時 のPDG0.4dB）を用いた。バイアス電流は 300mA に設定した。波長 1540nm CW 光入力時に波長 1550nm、３．DISC 型波長変換器の特性測定系
DISC 型波長変換器の特性測定系を図３に示す。信

周期 2ns、パルス幅 100ps のパルスを SOA に入力し号光は波長 1550nm の７段 PRBS（Pseudo-Randomた際の波長 1540nm 出力光（いわゆる相互利得変調動

Bit Sequence）符号 RZ-OOK 信号とした。波長可変作）の時間波形をサンプリングオシロスコープで観測レーザ（T -LD1）の出力 CW 光を初段の電界吸収型光し、パワーが 10%~90％の範囲で変化する時間を測定変調器（Electroabsorption Modulator, EAM）でパルした結果、キャリア回復時間 92ps の結果となった。

ス・パターン発生器（Pulse Pattern Generator, PPG）

SOA 出力を MZDI（FSR=40.14GHz）に入力後、出の電気信号に従って NRZ 符号化した後、同じ PPG の力光のパワーを補償するためにエルビウム添加光増幅

10GHz クロック信号で駆動された２段目の EAM によ器（Erbium-doped Fiber Amplifier, EDFA）で増幅し、り RZ 化した。OPS や光バッファの波長変換型光スイ

3dB 帯域 0.3nm の BPF を透過して SOA および EDFA

図３ DISC 型波長変換器の動作測定系

4TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systemsの増幅自然放出光（Amplified Spontaneous Emission,セット量をΔθとおく。通常、入力信号のない初期状ASE）を除去した。その後、フォトディテクタ（O/E）

態において、CW プローブ光の出力がレベル０となるで電気信号に変換し、サンプリングオシロスコープ

よう MZDI の位相をπに設定すると仮定する。このと（OSC）で時間波形を観測した。ビット誤り率（Bitき、MZDI で時間Δt 遅延された２信号間の位相差はError Rate, BER）測定時には、O/E 出力を電気増幅φ1-φ2+πとなる。ここで、更に出力パルスの立下り器で増幅後、エラー・ディテクタで BER を測定した。に相当する時間範囲の位相差が 0 となるように、Δθ

MZDI の FSR は、ビット・レート 10Gbps の信号に対=φ1-φ2+πに設定すると、サブパルスを抑制可能となして元のビット系列を再現でき、かつアイ開口が大きる。なお位相オフセット量の定義として、MZDI の節

く維持可能な条件から選択した。の波長をλm、信号光の搬送波波長をλp、MZDI の FSR

SOA の利得特性が波長・パワー依存性をある程度持をλMZDI としたとき、つため、DISC 型波長変換器の特性には入力信号光おΔθ=[(λm-λp) / λMZDI]×2π[rad]よび CW プローブ光の波長・光パワーの条件が影響すとした。すなわち、λm よりλp が短波長のときプラス、る。実際、波長 1535nm～1560nm の範囲で入力信号長波長のときマイナスとなる。

光・CW プローブ光の波長を変化させ、BER を測定しMZDI 位相バイアスを-0.2rad, -0.39rad に設定したた時の最適 BER 条件を求めた結果、上記波長の組み測定結果をそれぞれ図４(c)、(d)に示す。位相バイア

合わせにおいてはほぼ前述の光パワーで最適スの変化とともに、サブパルスの強度が下がっている（BER=10-9 での受信感度をもとに、信号光の BER 測様子が確認できた。一方、(d)が最も波形が明瞭にも見定結果と波長変換出力の BER 測定結果を比較したパ

えるが、レベル０の強度が位相バイアスシフトの関係ワー・ペナルティの値が最小で 0.1dB）になることがで増加してしまう結果となった。

わかっている。ただし、他の波長の組み合わせにおい信号品質を定量的に評価するため、BER の測定を行ても光パワーを適切に選ぶことによって、パワー・ペった。その結果を図６に示す。図に示すように位相バナルティは 0.5dB 以下の結果を得ている。したがって、イアスシフト量には最適値が存在することがわかり、以下ではパワー・ペナルティが最少となる前述の波

今回の検討では -0.2rad が最適値との結果となった。

長・光パワーの条件で、更に詳細な動作条件を検討した。

４．２

BPF 離調の効果

更に波形整形を行い、シングルモードファイバ
４．波長変換特性の測定結果（SMF）を伝送した場合の品質改善条件を検討した。

４．１

参考文献(22)で報告されているように、波長 1550nm

MZDI 位相オフセットの効果

まず光ファイバを長距離伝送しない Back-to-Back

において正の分散を持つ SMF を伝送する際には、伝条件で、波長変換出力の波形を測定した。入力信号を送劣化を激しく引き起こす長波長成分の BPF 離調に

図４(a)、MZDI 位相バイアスを 0rad に設定した際のよる除去が効果的であることが知られている。本研究

波長変換出力を同図(b)に示す。図２(b)で示したようでも同様の手法を用い、BER の測定（Back-to-Back

なメインパルスに続く時間に位相の折り返しによるサおよび SMF 25km 伝送の条件）により最適条件を検ブパルスが発生し、元の時間波形を再現できていない討した。以下では、離調量λoffset の定義として、BPF様子が見られた。そこで、MZDI の位相バイアスを調の透過率最大波長λBPF と波長変換出力中心波長λp に節し、波形整形することを試みた。図５にその原理を対して、
λoffset = λBPF － λp示す。SOA 内部の位相変化は、MZDI の分岐後の２信号間位相差に基づき強度変換される。MZDI の短い導と定義する。すなわち、λBPF よりλp が短波長（短波長波路を通った信号の出力部での位相をφ1、長い導波路成分を選択的に除去）の場合にプラス、λBPF よりλpを通った信号の出力部での位相をφ2、MZDI 位相オフが長波長（長波長成分を選択的に除去）の場合にマ5TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems(a)(b)(c)(d)

図４ 波長変換器の入出力波形 (a) 入力信号 (b) 波長変換信号（位相バイアス 0rad）(c) 波長変換信号（位相バイアス-0.2rad） (d) 波長変換信号（位相バイアス-0.39rad）

MZDI位相オフセット遅延させた光の位相をずらし，位相超過を削減⊿θ=(Φ1－Φ2+π)

位相差π

波長変換出力波形位相差π+⊿θ

サブパルス抑制

位相オフセット⊿θ
位相超過削減図５ DISC 型波長変換器出力の MZDI 位相オフセットによるサブパルス抑制原理

6

TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

図６BER の位相バイアス依存性は、ある程度の伝送距離の範囲においては一定の BPFイナスとなる。
図７に測定結果を示す。(a) Back-to-Back（位相バ離調によって信号品質が維持可能であることを意味し、イアス 0rad） (b) SMF 25km 伝送（位相バイアスOPS 応用にとって重要な特性であると考えられる。

0rad） (c) Back-to-Back（位相バイアス-0.2rad） (d)SMF 25km 伝送（位相バイアス-0.2rad）の条件の結５．まとめ果となっている。いずれの条件においても、入力信号波長変換型光スイッチを用いた OPS および光バッ光を基準にしたパワー・ペナルティを最少とする条件

ファ実現を目的として、その中に用いる波長変換器にが存在することがわかると同時に、伝送距離・位相バ着目して研究を行った。具体的には SOA と MZDI のイアス値によって最適条件が異なる様子もわかる。図組み合わせからなる DISC 型波長変換器を対象として、８に、図７(a)～(d)に対して横軸に BPF 離調量、縦その性能向上のための動作条件を検討した。

軸にパワー・ペナルティをとり、位相バイアス値・伝10.72Gbps ７次 M 系列信号を対象として自由スペ送距離ごとに結果をプロットした。まず、位相バイア

クトルレンジ（FSR）40.12GHz の MZDI を用いた

ス値 0rad のパワー・ペナルティは BPF のマイナス離DISC 出力信号のビット誤り率評価を行ったところ、調条件において、位相バイアス値-0.2rad よりも伝送遅延干渉計の位相バイアス 0rad、バンドパスフィルタ距離にかかわらず大きい結果であることがわかる。ま（BPF）の透過波長の離調 0nm の条件では波形が崩た、位相バイアス値 0rad では Back-to-Back においてれる傾向が見られた。この原因は MZDI 分岐比が１：プラス離調、25km 伝送においてマイナス離調で最小１であり、時間遅延成分のサブパルスの影響が顕著とのパワー・ペナルティとなった。一方、位相バイアスなった結果と考察された。そこで、この問題解決のた値-0.12rad においては、Back-to-Back、SMF25km 伝

め MZDI 位相バイアスを短波長側に-0.12rad シフトし送ともに-0.2nm 離調付近で最小値をとった。この結果た結果、サブパルス抑制によるパワー・ペナルティ改
7TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

善の傾向が見られた。また、同時に BPF 透過波長のきるため、25km シングルモード・ファイバ（SMF）

短波長側への-0.15nm 離調条件において、伝送時の分伝送時においてもパワー・ペナルティを改善可能であ散による波形劣化の主要因となる長波長成分を除去でる結果が得られた。

(a)

(b)

(d)

(c)

図７

ビット誤り率の BPF 離調依存性の測定結果(a) Back-to-Back （位相バイアス 0rad） (b) SMF 25km 伝送 （位相バイアス 0rad）(c) Back-to-Back （位相バイアス-0.2rad） (d) SMF 25km 伝送 （位相バイアス-0.2rad）

8TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

(a)

(b)

図８

パワーペナルティの BPF 離調依存性

9TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

(a)

(b)

図９

波長変換出力の消光比・Q 値の BPF 離調依存性

10TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

高速光バッファ回路用波長変換器に関する研究
A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

善の傾向が見られた。また、同時に BPF 透過波長のOptical Digital-to Analog Conversion-Based Header

短波長側への-0.15nm 離調条件において、伝送時の分

Processor”, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.16, No.3,

散による波形劣化の主要因となる長波長成分を除去でpp.951-953, (2004).

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伝送時においてもパワー・ペナルティを改善可能であYukimatsu, “FRONTIERNET: Frequency-routing-typeる結果が得られた。

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波長の信号を生成すること。

packet switch protptype with optical buffer using 1×8

パワー・ペナルティ：所定のビット誤り率を得る受信

PLZT optical switch and parallel pipeline buffer

信号の受信光感度を、基準信号と比較した差の値。

manager”, 33th European Cnference on Optical

自由スペクトルレンジ：干渉計などの透過率の波長依Communication (ECOC2008), Tu.3.D.7, Brussels,

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A study on a wavelength converter for high-speed optical buffering systems

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この研究は、平成１９年度ＳＣＡＴ研究助成の対象としpp.331-347.て採用され、平成２０年度～２２年度に実施されたものです。
12TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER