半導体光増幅器内の光周波数シフトを用いた光量子化技術の研究
Optical quantization using frequency shift in semiconductor optical amplifiers

サンプリング速度と量子化ビット数がある。前者はサンプリング（標本化）を行う速度を表し、A/D 変換の動作速度と対応する。後者は標本化されたパルス信号の強度を細分化するビット数を表しており、デジタル化する際の分解能を示している。一般的に両者はトレード・オフの関係がある。近年、データ速度の高速化に伴い、電子回路の処理速度限界に達しつつある状況

松浦 基晴 (Motoharu MATSUURA, Dr. Eng.)になっており、A/D 変換の進展において 2 つの問題が電気通信大学 情報理工学研究科 准教授生じている。1 つは、サンプリング・クロックのタイ(Associate Professor, Graduate School of Informatics andEngineering, University of Electro-Communications)

ミングジッタで発生する量子化誤差である。クロックの時間的な揺らぎ（ジッタ）は、量子化の際に強度レIEEE OSA 電子情報通信学会受賞：第エリクソン・ヤングサイエンティスト・アワード(2008 年)
船井情報科学奨励賞 (2009 年) 電気通信普及財団テレコムシステ
ム技術賞 (2011 年)
研究専門分野：光ファイバ通信システム 光エレクトロニクス 光
ファイバ給電ベルに誤差を発生させ、正確なデジタル信号への変換が困難となってくる。もう 1 つは、消費電力の問題である。パソコンの CPU に見られるように、信号処理が高速になってくると、電子回路にかかる負荷の多くは熱エネルギーとして放出され、消費電力が急増してくる。このような背景から、光の特徴を活かし、光領あらまし域で信号処理を行う光 A/D 変換の研究開発が活発に

光アナログ・デジタル変換は、光領域にお行われている[1]-[3]。

いてアナログ信号をデジタル信号に変換する技術であり、通信やデータ処理・記録・解析などへの幅広い利

光 A/D 変換は、A/D 変換の 3 つのプロセスである、用が検討されている。近年、光アナログ・デジタル変標本化、量子化、符号化を全て光領域で処理すること換は、従来の電気領域でのアナログ・デジタル変換のになる。この中で最も実用的なものが標本化である。

性能限界を打破し、さらなる高速動作や低消費電力化

標本化では、クロックのタイミングジッタが量子化誤を可能とする手段として注目を集めている。半導体光差の主要因となるが、電子回路のジッタ限界がおよそ

増幅器は半導体で構成された光増幅器で、光信号の増0.1 ps と言われているのに対し、光クロックではその幅に良く使用されているが、素子内部の屈折率変化に10 分の 1 程度までジッタを低減することが見込まれ、よって伝搬する光信号に光周波数シフトが発生する。

量子化誤差を大きく改善することが期待されている。

本研究では、この半導体光増幅器での光信号の光周波一方、量子化については、全てのプロセスを光領域で数シフトに着目した独自の光量子化技術に関する研究行う際に欠かせないものの、十分な性能を有する実証開発を実施した。サンプリング速度 10 GSample/s でが困難であるため、現在でも精力的な研究開発が進めの実証実験とその性能評価を実施し、8 レベルでの光られている状況である。

量子化に成功し、光 A/D 変換としての有効性を明らか

本研究課題では、半導体光増幅器内で発生する光周波数シフト現象を用いて光量子化を実現する独自の技にした。

術を提案し、その実証実験と性能評価を行った。
１．はじめに
２．半導体光増幅器内の光周波数シフトを用いた

アナログ・デジタル変換（以下、A/D 変換）は、ア

光量子化

ナログ信号をデジタル信号に変換する技術であり、通信やデータ処理・記録・解析などの分野で幅広く用い

半 導 体 光増 幅 器 （ SOA： Semiconductor Optical

られている。A/D 変換の代表的な性能指標としては、

Amplifier）は、半導体で構成された光増幅器で、組成
1TELECOM FRONTIER No.102 2019 WINTER

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材料が半導体レーザやフォトダイオードと同じである

光はパルスの強度に対応した光周波数シフトが発生すため、これらの能動素子との集積化が可能である。一る。これを QD-SOA の後段で並列配列した矩形波型

方、SOA で増幅された光信号は、SOA 内での利得変光フィルタ（WS：WaveShaper）で周波数シフト成分化で発生する屈折率変化によって光信号パルスの立ちのみを透過させるようにフィルタ周波数を調整する。

上がり・立ち下がり時に周波数が変化する光周波数シ

そ れ ぞ れ の フ ィ ル タ 短 波 長 側 の 周 波 数 （ RSFF ：フト（周波数チャープ）が発生する。このため、増幅

Red-shifted filter frequency）は、図 1 に示すように、された光信号が光ファイバ中を伝送する際、パルスに徐々に長波長側にシフトしていくように調整している。

瞬間的に変化する周波数成分を含むため、光ファイバ

これにより、最も高いピークパワーのサンプリングパ中の波長分散との相乗効果によって特異な波形変化を

ルスは全てのフィルタを透過し、最も低いピークパワ発生してしまうという問題がある。著者らは、これまーのパルスはどのフィルタも透過出来ない仕組みにフでに独自の周波数チャープ測定法を用いて、SOA や量ィルタ位置を調整している。すなわち、サンプリング子ドット半導体光増幅器（QD-SOA：Quantum-Dot

パルスのピークパワーに応じて、並列配置したフィルSOA）で発生する光周波数シフト特性の評価を行ってタを透過するパルス（“1”）の数が決定する。出力されきた[4][5]。その中で、光信号パルスの立ち上がり時にるデジタル信号は、別途符号化が必要になるが、サン発生する低周波数側への光周波数シフトが、光信号パプリングパルス列からデジタル情報への光量子化が行ルスのピークパワーに依存することに着目し、これをえる。提案技術は、半導体素子と並列に構成された矩応用した光量子化技術を提案している[6]。

形波光フィルタのみで構成され、光量子化に必要な入図 1 に、提案する光量子化の構成を示す。光標本化

力信号のパルスあたりのピークパワーも 10 mW 程度されたサンプリングパルス列と強度が一定で波長の異なので、従来の光 A/D 変換と比較しても、格段に小さなるプローブ光を SOA（ここでは、QD-SOA）に入力いスイッチングエネルギーでの動作が見込める構成にする。これにより、サンプリングパルスの強度変化になっている。

応じた QD-SOA 内の屈折率変化によって、プローブCW

WS

RSFFCWWSRSFF

図１

提案する光量子化の構成

2

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間を有しており、高速なサンプリング速度での実証実３．光量子化の実証実験
提案する光 A/D 変換の有効性を検証するために、実験には有利なため、本実験でも使用した。この

証実験を行った[7]。その実験構成を図 2 に示す。波長QD-SOA は、これまでにも伝送速度 320 Gbit/s での光1530 nm の モ ー ド 同 期 半 導 体 レ ー ザ （ MLLD ：信号処理実証実験に使用されている[8]-[11]。QD-SOA

Mode-Locked Laser-Diode）から出力された繰り返し

内では、図 2(b)に示すように、サンプリングパルスの周波数 10 GHz のパルス列を LiNb03 変調器（LNM）

ピークパワーに対応した大きさの光周波数シフトがプに入力した。パルスパタン発生器（PPG：Pulse Pattern

ローブ光に発生する。プローブ光は増幅後、波長可変Generator）と同期したシグナル・ジェネレータ（SG）型の WS に入力される。図 1 では、並列に複数段ので生成された 10 GHz 正弦波で変調を行い、光アナロWS を配置していたが、本実験では、1 台の WS の透グ信号を光標本化したことを想定した 10 GSample/s

過波長をシフトさせて代用している。実際には、図 2(c)の光サンプリングパルス列を生成した。この信号光は、に示すように、WS の RSFF を変化させ、光量子化のエ ル ビ ウ ム 添 加 光 フ ァ イ バ 増 幅 器 （ EDFA ：性能評価を行っている。実験に使用した WS の透過ス

Erbium-Doped Fiber Amplifier）で増幅後、光カプラペクトルの例を図 2(d)に示す。理想的には、より急峻（OC：Optical Coupler）でプローブ光と合波される。

なロールオフを有する光フィルタが必要であるが、使プローブ光は波長 1559 nm の外部共振型半導体レー用した WS においても十分な光量子化性能の実現が可ザ（ECL：External Cavity LD）で生成され、出力パ能である。RSFF に応じて抽出したプローブ光の光周

ワ ー は 光 可 変 減 衰 器 （ VOA ： Variable Optical

波数シフト成分は増幅後、光スペクトルアナライザ

Attenuator）で調整し、OC で信号光と合波されてい（OSA：Optical Spectrum Analyzer）と、フォトダる。図 2(a)のように、信号光とプローブ光は合波後、イオード（PD：Photo-Diode）で光電変換された電気量子ドット半導体光増幅器（QD-SOA）に入力される。

信号波形を、帯域 50 GHz のサンプリングオシロスコ

ここで、SOA ではなく QD-SOA を利用した理由は従ープ（OSC：Oscilloscope）でパルスのピークパワー

来の SOA と比較して、QD-SOA は高速な利得回復時レベルと波形の評価を行っている。

図２

光 A/D 変換の実験構成

3TELECOM FRONTIER No.102 2019 WINTER

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図 3 に、光フィルタの短波長側周波数を変化させたワー差を表し、後者は、理想的なステップ幅に対する際に観測された光周波数シフト成分の光スペクトルを実測のステップ幅のパワー差を意味する。INL と DNL示す。フィルタをシフトされる毎にスペクトル成分は、による光量子化特性の性能評価を図 5 に示す。この評低周波数側にスライドしていくのが確認出来る。一方、価において、±1 LSB（最低有効ビット数, LSB：Least

スペクトル成分は、シフトしても 10 GHz 間隔に立つ

Significant Bit）以下に抑えることが出来れば、ミッコム成分は共通して存在しているのが確認された。

シングコードを発生せずに A/D 変換を行えることになる。図より、INL は最大＋0.79 LSB、DNL は最大＋0.59 LSB となり、全てのステップで ±1 を下回ってCW probe0示した。

21 GHz28 GHz-2035 GHz

34
Throshold0.110.16
0.2132-40

RSFF (GHz)Power (dBm)

いることから、提案技術の A/D 変換としての有効性を

RSFF-60192.24192.26192.28

192.3

Frequnecy (THz)30282624

図３RSFF を変化させたときの光周波数
シフト成分の光スペクトル

2200.20.40.60.8

1Input pulse peak power (a.u.)

光量子化性能の評価を行うために、入力したサンプ
図４

リングパルス列を規格化し、出力パルスのピークパワ

光 A/D 変換の光量子化特性

ーが設定した閾値を越えた（“0”から“1”となった）ときの RSFF の変化を図 4 に示す。閾値については、過去の研究を参考に 3 つの値を任意に設定し、比較評価1.5大きくなるにつれて、必要となる RSFF も大きくなっているのがわかる。ここで、閾値を規格化されたパルスのピークパワーの 0.16 と設定したときに、最大 8レベルのステップが得られることが確認された。また、その際に 8 レベルの光量子化が行えることが示された。
さらに、最新の研究成果においては、本系において 15DNL and INL (LSB)を行っている。図より、入力パルスのピークパワーが1DNL
INL

0.50-0.5-1レベルの光量子化の実証実験にも成功している[12]。

-1.50A/D 変換としての有用性を示すため、積分非線形誤

12345678

Output qunatization level差（INL：Integral NonLinearity）と微分非線形誤差（DNL：Differential NonLinearity）による性能評価

図５も行った。前者は、理想の光量子化性能における各スINL と DNL による光量子化特性の性能評価

テップの中点を結んだ際の各量子化レベルにおけるパ4TELECOM FRONTIER No.102 2019 WINTER

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Optical quantization using frequency shift in semiconductor optical amplifiers[9] M. Matsuura et al.: “Ultrahigh-speed and widely

４．まとめ
半導体光増幅器内の光周波数シフトを用いた光量子

tunable wavelength conversion based on cross-gain化技術に関する研究を行った。半導体光増幅器で発生

modulation in a quantum-dot semiconductor optical

する光周波数シフトは、増幅された信号光に周波数変amplifier,” Opt. Express, 19, B551-B559, (2011).

化を与え、伝送特性に影響を与えるというデメリット[10] M. Matsuura et al.: “320-to-40-Gb/s opticalがあるが、提案手法では、これを逆手に取って、光強demultiplexing using four-wave mixing in a度-周波数変換として応用した光量子化技術を提案し、quantum-dot SOA,” IEEE Photon. Technol.

サンプリング速度 10 GSample/s での実証実験に成功

Lett., 24, 101-103, (2012).
[11] M. Matsuura et al.: “Error-free 320-to-40-Gbit/sした。従来技術と比較して、低消費電力化や小型化に優位性があるため、今後もさらなる高性能化を目指し

opticaldemultiplexing

basedonblue-shift

た研究開発を進めて行きたいと考えている。

filtering in a quantum-dot semiconductor opticalamplifier,” Opt. Lett., 38, 238-240, (2013).
[12] T. Okada et al.: “10-GSample/s, 15-level optical

参考文献

quantizationusing

frequency

chirpina[1] B. L. Shoop: “Photonic analog-to-digital conversion,”quantum-dot SOA,” Proc of OECC 2018, P1-26,
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Springer (2001).
[2] G. C. Valley: “Photonic analog-to-digital converters,”
Opt. Express, 15, 1955-1982 (2007).
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[4] M. Matsuura et al.: “Time-resolved chirp properties
of SOAs measured with an optical bandpass filter,”IEEE Photon. Technol. Lett., 20, 2001-2003, (2008).
[5] M. Matsuura et al.: “Experimental investigation ofchirp properties induced by signal amplificationin quantum-dot semiconductor optical amplifiers,”
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[6] N. Ninomiya et al.: “Optical quantization basedon intensity to frequency conversion using
frequency chirp in a QD-SOA,” Proc. of OFC
2017, Th1F.6, Los Angeles, USA, (2017).
[7] H. Hoshino et al.: “Photonic analog-to-digitalconversion using red frequency chirp in asemiconductor optical amplifier,” Opt. Lett., 43,
2272-2275, (2018).
[8] M. Matsuura et al.: “320-Gbit/s wavelength
conversion using four-wave mixing in quantum-dotこの研究は、平成２６年度ＳＣＡＴ研究助成の対象とsemiconductor optical amplifiers,” Opt. Lett., 36,

して採用され、平成２７～２９年度に実施されたもの

2910-2912 (2011).

です。
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