Q-sw 保護回路を内蔵する光クロック信号源の開発
電子工学専攻

上野研究室

竹内宏幸

得条件2 がある。しかし、これはパルス発振
本研究は、2008 年 1 月 23 日以後レーザー 状態にうまく偏波制御を行えた状態での、共新世代研究セ ンター 西岡一准 教授に、 振器内部の利得と損失の関係を示しただけ
EDFA による Q スイッチ発生などについて で、DISC-loopの発振条件を理解できる物でご相談等賜りました。それにより、今回の保 はなかった。そこで、新たにCW発振防止条護回路開発また、今後の DISC-loop 実験の 件を解明し、既存のパルス発振閾値利得条件再開に繋がりました。深く感謝いたします。 と共に応用し、DISC-loopのパルス発振条件
そのため、私は、レーザー新世代研究セン をモデル化した。
これにより、将来の高周波化、集積化を目ター内では研究を行っておりませんし、本研指す際に必要な設計指針を判断できるよう究の出来もレーザー新世代研究センターの学生の皆様に比べ、出来が悪く、恥ずかしい になった。モデルによりパルス発振条件の緩限りですが、出来れば学位論文データベース 和方法は推測でき、その方法を実行することに加えて頂きたいです。加えていただければ、により、確実に緩和できるといえるデータは、すでに集まりつつある。
ありがたく思います。
しかし、当研究において、数年前よりSOAが何らかの原因で劣化する事象が複数発生
1. はじめに今日、新興国でのユーザ数増加や先進国で した。この問題により、実験を停止する事態のデータ総量やコンテンツ量の増大により、 に何度も陥り、現在もその問題に悩まされ続通信需要が伸び続けている。この需要への対 けている。
この問題について、西岡先生、上野先生に策として従来のSONET/SDH規格の電気的時分割 多 重 や 波 長 分 割 多 重 (Wavelength ご相談を賜り、実験を停止させた問題である
Division Multiplexing, WDM)から光時分割 SOA劣化の原因として、エルビウム添加ファ多 重 (Optical Time Division Multiplexing, イ バ 増 幅 器 (Erbium Doped Fiber Amplifier,EDFA）のQスイッチが原因だと推測され、OTDM)への移行が検討されている。
このOTDMには、時間的に光信号を重ね合 このQスイッチを防ぐ手立てとして、Q-sw保わせと分割を行う必要があり、そのタイミン 護回路の開発を行った。

謝辞とお願いグを決めるために光信号より高周波で安定したタイムフレームとなるパルス光源が必要である。そこで、高繰り返し周波数で短パルス幅のパルス発振が出来るモード同期レー ザ や DISC-loop 型 パ ル ス 発 生 器 (DelayedInterference Signal wavelength Converter,DISC)の応用が期待されている。1
そのDISC-loop型パルス発生器は、複数の偏 波 制 御 素 子 と 半 導 体 光 増 幅 器(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)により構成され、リング中に存在する光の偏波を調整することで、連続光(Continuous Wave, CW)
発振を抑制し、パルス発振を行っている。
偏波制御により抑制する発振方法は、以前
当研究室の鈴木が求めたパルス発振閾値利

2. DISC-loop の発振動作と Q スイッチ
DISC-loop型パルス発生器の構成と動作原
理 に つ い て 図 1 に 示 す 。 こ の DISC-loop は
DISC-gate型波長変換器3 を応用したもので、
DISC-gate出力を入力にフィードバックさせて い る 。 DFB-LD か ら の CW を SOAに 対 しTE(Transverse Electric)モードになるように波長板を調整する。またリングをフィードバックするDISC-gate出力のTEモード光とSOAやEDFAによる自然放出光も調整し、SOAに対しTM(Transverse Magnetic) モードで入射させている。このTE、TMモード光は、SOAを通過し、偏波制御素子とカルサイトで構成されるマッハツェンダ干渉計 (Mach-Zehnder1

このPDFはpdfFactory試用版で作成されました www.nsd.co.jp/share/pdffact図3
図1 DISC-loopの構成と動作原理

DISC-loopの損失と利得ず、当研究室の鈴木が求めたパルス発振閾値
利得条件について次に示す。

(a)Gloop = TDISC + Lpassive + GEDFA(1)

ここでTDISCはDISC-gateの透過率、Lpassiveは共振器中の受動素子の損失、GEDFAは、EDFAの非飽和利得を示している。この式は、リング型共振器1周あたりの利得Gloopが、共振期中の損失と利得の総和で表せることを示している。またすべて発生するパルスに対しての値になっており、この総和が0 dBを上回ると発振する。但し、あくまでパルス発振に対してのみである。
そこでまず対極にある CW 発振について検討した。図 3 のように共振器内の損失と利得を定義した時、CW 発振に影響する共振器 1周あたりの利得は、次のように表せる。

(b)

GCWloop=GSOA(ICW)−LDISC−Lpassive−Lpol+GEDFA(2)

GSOA(Icw)は、CW発振に対するSOAの利得、LDISC
図2 40 GHz 5ps のパルス発振出力
は、DISC-gate部の受動的損失、Lpassiveは(a)スペクトル (b)自己相関波形
DISC-gate外部の受動的損失、Lpolは偏光子が、フィードバック光を遮断する損失、GEDFAInterferometer, MZI)に入射する。MZI内部で は、EDFAの利得である。ここで、偏光子によ偏光子によりCW発振を引き起こすTMモード る損失Lpolは、出力カプラ前のλ/4波長板(Q)成分を遮断し、TEモード成分をパルス形状に やλ/2波長板(H)により、フィードバック光の整形する。そして整形されたパルスが再び 偏波を調整しておりそのカット法は、QよりSOAにフィードバックしモード同期を行う。 直線偏光になっているとすると、ジョーンズ
このような形でリング1周ごとにモード同 行列から次の式で示せる。
期をかけ、パルス形状を生成する事と、リン Lpol = −10 log10 sin2(2θH)(3)
グに含まれる自由スペクトラム間隔がGHz領 ここでθHは波長板の角度であり、パルス発域のエタロンを利用する事で、高調波再生モ 振時、つまりSOAに対しフィードバック光がード同期4を行い、高周波パルスを電気的変 TMモードになる角度を0度としている。
調なしに、図2のように安定して発振出来る。 この2つの発振条件はそれぞれ総和が0 dB
このパルス発振動作はDISC-loopの発振動 を超える時発振するため、0 dBとなる条件が作の一部であり、発振状態は、一般的なリン 発振閾値になる。実験的には、EDFAの利得のグレーザ同様にCW、パルス発振と2種類存在 調整により発振条件を調整する為、式(2)する。その発振状態とモデルについては、ま (3)をEDFAの発振閾値利得とすると、次のよ2

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うに示すことが出来る。

Gpulse,thresholdEDFA = Lpassive -TpulseDISC (4)GCW,thresholdEDFA = -GSOA(ICW) + LDISC+ Lpassive + Lpol
(5)
さらに、CW発振閾値利得は、Lpolが出力カプ
ラ前のHの角度により変化し、またCW発振に最適な状態、つまりフィードバック光をSOAに対しTEモードにする事で、偏光子により遮断することはなくなりLpolは 0 dBとなる為、
CW発振閾値利得の最小値は次の式で示せる。

GCW,min thresholdEDFA = -GSOA(ICW)+ LDISC + Lpassive (6)図4発振状態と偏波制御による損失(40 GHz 5ps)

仮に2つの発振条件がある場合、共振期内の利得を上げてゆくと、発振閾値が低い発振が 関係が変化し、パルス発振が行われる。つま先に発振し、共振器内の利得を消費する。そ り、パルス発振閾値利得がCW発振閾値利得のため発振閾値が高い発振は利得を使えず、 （点線）を下回っている箇所に波長板の角度よほど共振器内の利得を上げ緩和発振を起を合わせればよく、そこから偏波制御精度がこさなければ、2つ同時の発振は難しい。そ わかる。この40 GHz 5psのパルス発振の場合のため、パルス発振をするには、CW発振より 5度程度がパルス発振範囲だとわかる。
発振閾値を低くする必要がある。つまりこの偏波制御による共振器損失の変化は、

Gpulse,thresholdEDFA < GCW,thresholdEDFA(7)手動の波長板の角度調整によるものなので、その速度は、機械的動作であるため、速くと
Gpulse,thresholdEDFA <も数十 msであり、損失の変動は、2つの発振
GCW,min thresholdEDFA+ Lpol (8) 閾値利得の差が、実験的には10 GHz 5 psのとなり、Lpolが2つの発振閾値利得の差をパルス発振構成で20 dB、40 GHz 5 psの構
threshold∆G成で17 dBあることから、20 dB前後と考え
EDFA =Gpulse,thresholdEDFA-GCW,min thresholdEDFA (9) られる。とするとこの偏波による共振器損失の変化は、発振∆GthresholdEDFA < Lpol
(10) 状態の移行のみならず、EDFAにも影響するとなり、この条件が満たされるときパルス発 点が問題である。EDFA内部のEr3+イオンの緩振が可能であるといえる。ここで発振閾値利 和時間は、十 ms前後であり、手動による共振器損失の変化にかかる時間と近いことと、得差は、式(4)(6)から次のようになる。
thresholdpulse
パルス発振を行うため、実験的には、EDFA∆GEDFA = -T
DISC +GSOA(ICW) - LDISC (11) 利得を現状では23 dB程度確保しなくてはな
この式により、Lpolが式(11)のパルスに対し らず、それには、EDFAの励起は、強くしなてのDISC-gate透過率、CWに対してのSOA利得、ければならない。そのため、共振器損失が増
DISC-gate部の受動的な損失の総和より大き 加すると、EDFAの励起子の蓄積量は、時間くすることがパルス発振条件だとわかった。 的に急増する為、Qスイッチの発生原因にな
そのため、出力カプラ前の波長板の調整に ってしまう。
よりフィードバック光の偏波を調整するこ
3. SOA の劣化と Q スイッチ保護回路とで、発振状態が切り替わるといえる。
このパルス発振モデルが、正しいかどう
前節によりSOAの劣化原因と推測されるか、実験的に確認した。結果を図4に示す。 EDFAによるQスイッチの発生原因として、出力カプラ前のΗの角度の調整により、CW発振 DISC-loopのパルス発振原理が問題だと考え閾値利得が式(3)のLpolの影響により、角度 られた。Qスイッチを防ぐには、このトリガごとに大きく損失が変化している。その損失 の利用が重要だと言える。
により2つの発振条件の発振閾値利得の大小 またもう一つ原因として考えられることがとなる必要があり、式(6)より変形すると

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このPDFはpdfFactory試用版で作成されました www.nsd.co.jp/share/pdffact図5 エタロンの透過スペクトル例

図6 Qスイッチ保護回路の概略図あり、それもDISC-loopの発振原理同様に共図7 作成した回路とケース収納概要
振器損失の急激な変化、つまりQ値の急激な変化があるためである。それはエタロンの損失の波長依存性であり、DFB-LDの線幅は100MHz程度なので、特に何も操作しなければ、問題はないのだが、実験的に電流量やDFB-LDの温度を変えると、発振波長が変わってしまうため、エタロンの損失が急激に変わる。エ
タロンはシングルモード発振を行うとき図5のような透過特性を持ち、その損失の変化は
図8 A/D変換器とマイコンの30 dB近くあり、Qスイッチの原因となりうる。
タイミングチャート
そこでこれらの原因による励起子の蓄積を減らすことを目指した。EDFAのレート方により制御されるトランジスタで、ベース電程式から、励起を停止する他無いと考えられ流を制御することでLDドライバ回路の電流るため、Qスイッチの発生原因である共振器量を制御する。
損失の増加が発生したら励起を停止させる
実際に作成した保護回路は、図7のように保護回路を作成することにした。
なっており、ケーブルが多く判り辛いが複数
図6は装置構成であり、EDFA出力光強度をのマイコンやICを用いて上記の動作を行っ測定し、強度が閾値以下になった際にA/D変ている。
換器及びコンパレータで検出し、マイコンにこの保護回路には、2系統の停止装置がついよりEDFAの励起用LDへの注入電流を止めており、一つはA/D変換器、1つはコンパレる構造になっている。注入電流を止めるのは、ータになる。それぞれについて次に記載する。
2つのトランジスタで、一方は、マイコンに
図8は、A/D変換器とマイコンの動作のタイよりもう一方のトランジスタのホールド動ミングチャートである。縞の領域で検出を行作をし、もう一方は、EDFA励起用LDのLDドラっており、約10 kHz周期である。縞の領域のイバ回路を構成し、ディレイ出力とマイコン後、A/D変換を行い、67.2 µs後に励起用LD
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このPDFはpdfFactory試用版で作成されました www.nsd.co.jp/share/pdffact図9

保護回路動作確認用実験構成

図11

1 µs L状態 100 µs H状態の信号入力時の停止動作で、これらによる偏波の変化によるCW発振からパルス発振への発振動作の切り替わりの際に、共振器内に光が存在しない状態が発生した問のEDFA利得を下げ、Qスイッチを防ぐ
図10 0.5 µs L状態 50 µs H状態のことを出来ると考えられる。
信号入力時の停止動作
但し、これらはあくまで設計上の動作であり、実際に確認を行った。図9のような構成を停止させる。マイコンのプログラムと実験 で、この保護回路にDFB-LDからのCWを電界吸的に回路内の信号をオシロスコープで検出 収型変調器(Electro Absorption Modulator,して確認を行った。図上部にかいてあるのは EAM)で変調した光信号を入力し、閾値でのプログラム内でのサブルーチン名である。
EDFA励起用LD停止動作が微少時間の減衰を
このA/D変換値による停止動作の判定は、検出した上で、実行するかどうか診断した。
マイコンでA/D変換値と事前に設定した値を図10、11が確認結果である。上から変調を比較することで行っており、今回A/D変換値 受けたCWをPDとI-V変換を保護回路と同じ回が16(A/D変換値は12 bitで A/D変換値1 あ 路で電圧にしたもので、2番目が保護回路のたり5/4096 Vで増加する。) つまりA/D変 I-V変換結果、3番目がコンパレータ側のPIC換器への入力が約20 mVを下回った時に停止 の停止動作信号で、ここがHの状態になると、する。この値は固定である。
内部の停止動作用トランジスタが動作し、4もう一方のコンパレータは、保護回路への 番目のLDドライバ回路のトランジスタへ流入力光による、PD出力電流をI-V変換したも れるベース電流がGNDに流れる。そのため4のを2値化しており、それを1.25 MHz毎に検 番目がLDドライバ回路のトランジスタへの出し、閾値以下になった時、約1 µsで励起を ベース電圧を検出しているので、L状態にな停止させる。こちらは、A/D変換器より高速 ることで、電流が流れず、励起用LDを停止さであり、また、可変抵抗を調整することで、 せることを確認できる。
コンパレータの参照電圧を切り替えて、停止
0.5 µsと1.0 µsの減衰時間の違いで、検出動作を行う閾値を調整可能である。
信号の形状が大きく変化しているが、これは、これら2つの停止機構により、約1 µsで、 パルスパターン生成機(Pulse Pattern
共振器損失の増加を検出し、保護回路への入 Generator, PPG)の出力がここまでの低速だ
力光強度が閾値を下回ったら、EDFAの励起用 と、歪んでしまうことと、EAM、そして自作LDを停止させる。
検出回路がそれぞれEDFAのQスイッチと同じ
これにより手動での偏波や波長制御、機械 ように、減衰時間中に利得をためてしまう為的振動などの速度が、速くともkHz程度なの である。

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このPDFはpdfFactory試用版で作成されました www.nsd.co.jp/share/pdffact図12なので一例としてこのように約-23 dBm程度までは確実に検出可能であるといえる。
実際にDISC-loop型パルス発生器のEDFAのQスイッチ防止には、DISC-loopのパルス発振への調整と、Qスイッチを防ぐ為の停止動作を両立させなければならないので、この停止閾値の調整は重要になる。またこのQスイッチ保護回路への入力は、DISC-loopのパルス発振に対して、損失を増やさないよう20 dBカプラを通して、EDFA出力を検出する為、-23dBm程度の強度が測れるのは、ある程度必要な条件は整っているだろうといえる。

停止閾値確認構成

4．まとめ
DISC-loop型パルス発生器のCW発振条件を求め、既存のパルス発振条件と組み合わせ、パルス発振に必要なCW発振抑制条件をモデ
図13 入力光強度閾値確認結果
入力光強度(a) -22.2 dBm (b) -23.0 dBm ル化した。これにより、今後のDISC-loop型パルス発生器の高周波化、集積化などに向け(c) -23.3 dBmての設計指標を立てることが出来るように
そして0.5 µsと1.0 µsで共に上から3番目 なった。
ただし2008年1月までに計5回のSOAの劣化がL状態からH状態に移行し、4番目がH状態からL状態に移行しているが、その移行すると が発生し、それにより実験が滞っているため、きの2番目のI-V変換後の信号強度と1番目の 現状では、モデルの応用や信頼性の確認が難
信号のタイミングを見ると、0.5 µsの物は、 しい。そこで、SOAの劣化の原因であるEDFA入力光信号により停止したのではなく、回路 からのQスイッチを防ぐ、Qスイッチ保護回路のノイズにより停止したことがわかる。一方、を製作した。静的、動的動作確認を行い、1.0
1.0 µsは、入力光信号により停止動作が発生 µs以上の減衰を検出し、また停止動作の為のしたと見ることが出来る。このため、このQ 入力光強度閾値を-23 dBm前後にすることがスイッチ保護回路は、1.0 µs以上の時間経過 可能である為、Qスイッチの原因である、手で、減衰する信号を検出可能であると判断で 動や機械的振動による強真意損失の急激な増大を検出可能であるといえ、ほぼQスイッきる。
又、EAMによる光信号の変調を行わず、図 チを防ぐことが可能だと判断できる。
但し、実際にDISC-loopに組み込んでの動12のように、単純にCWの強度を見ながら入力し、図13のように回路内部の信号強度を確認 作確認が、できなかった為、確実にQスイッした。今回一番上のTriger signalは何も接 チを防げるかどうかを確認できず、中途半端続しておらず、GND側のみ接続していたので、 で終わってしまった。
GNDに載ったノイズとオシロスコープのノイズで変動している。電圧の変動は、数 mV程
参考文献度である。
この図を見てわかるのは、(a)と(b)でコン [1]R. Suzuki et al., CLEO/QELS 2006, CMG5
パレータ側が停止動作を行っており、(b)と (2006).
[2]R. Suzuki et al., IQEC/CLEO-PR,(c)の間でA/D変換器側も停止動作を行った
CFM1-4(2005).ということである。これから停止する為の閾 [3]Y. Ueno et al., J. Opt. Soc. Am. B, vol. 19,
値は、コンパレータ側が-22.2 dBmでA/D変換 no.11, pp. 2573-2589,(2002).
器側が-23.0 dBmであるといえる。但しこれ [4]C. M. DePriest et at., Opt. Lett., vol. 27, no. 9,
ら値は、回路の調整により変えることが可能 pp. 719-721,(2002).

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