外部変調を外部変調を利用する利用する半導体全光する半導体全光ゲート
半導体全光ゲート型ゲート型
モードロックパルス発生器
モードロックパルス発生器の発生器の研究
先進理工学専攻 上野研究室 新井 隆博
1

はじめに実験において、構成素子である半導体光増通信需要の増大から、高速・大容量な通幅器 (Semiconductor optical amplifier, SOA)

信が求められている。通信回線には光回線の入力端面が損傷するという問題が当研究を個人宅へ直接引き込む FTTH (Fiber to the室において数回発生した。その原因は Q ス

home)が広く普及し、伝送方式にはデータをイッチによる高エネルギーパルスと推定さ波長で分けて多重する波長分割多重伝送方れている。

式(Wavelength division multiplexing, WDM)

本研究では Q スイッチによる高エネルギが使われている。より高速な伝送を実現すーパルス発生を防ぐため、外部変調を取りる方法の一つとして、WDM に光時分割多入れたパルス発生を試みた。繰り返し周波

重 伝 送 方 式

division

数 10 GHz のパルス発生実験を行い、外部変multiplexing, OTDM) を組み合わせる方法

調による発振状態について調べ、外部変調が考えられる。OTDM では 1 つのチャンネが出力波形に与える影響について調査した。

ルあたり、100 Gbps を超えるような高密度

また、高周波化に向けて 40 GHz でのパルスなデータ伝送が行われる。そのため、伝送発生実験も行った。

(Opticaltime

される光信号の元となる光パルスには、高繰り返し周波数で、パルス幅が狭く、長期2的な安定性が求められる。

DISC-loop の原理と原理と Q スイッチにスイッチによる高エネルギーパルスーパルス発生
よる
高エネルギーパルス発生

このような OTDM のシステムで光源としDISC-loop の構成は図 1 のようになってて適用が期待されるものに、遅延干渉型全

お り 、 SOA と マ ッ ハ ・ ツ ェ ン ダ 干 渉 計

光 ゲ ー ト(Delayed interference signal(Mach-Zehnder interferometer, MZI) から構

wavelength converter, DISC) [1] を応用した成される DISC-gate を、リングにした形状

光クロックパルス発生器(DISC-loop) [2] がになっている。分布帰還型半導体レーザある。可飽和吸収体を用いたモードロック(Distributed feedback laser diode, DFB-LD)

半導体レーザ[3]の光源よりも、出力パルスから出力される連続光 (cw 光) を、リング幅、中心波長、繰り返し周波数が容易に可共振器外部から SOA に入射すると、SOA変であり、原理的に集積化も可能である。

へフィードバックする光により、SOA 内部

DISC-loop でのこれまでの成果としては、2で cw 光 が 相 互 位 相 変 調 (Cross phaseps のパルス幅で、40 GHz の繰り返し周波数modulation, XPM) お よ び 相 互 利 得 変 調のパルス発生が報告されている[4]。しかし(Cross gain modulation, XGM) を受ける。

ながら、現段階のファイバ接続構成によるXPM および XGM を受けた cw 光は MZI で1

2 つに分割され、遅延時間∆t を位相バイアスをπ与えられて合波することで、位相窓を形成し cw 光をパルスへと変換する。そのため、パルスの幅は∆t に追従し、中心波長はcw 光と一致する。その後、エルビウム添加ファイバ増幅器 (Er doped fiber amplifier,図 1 DISC-loop の基本構成EDFA) で増幅され、エネルギー分配型 MZIロンによって時間的に分割される。その繰外部変調による外部変調による 10 GHz パルス発パルス発
生り返し周波数は自由スペクトル間隔 (Free

外部変調の方法として、変調光注入を採(Energy-dividing MZI, ED-MZI) またはエタ3spectral range, FSR) に対応する。

用した。
SOA を利用したファイバレーザで、現段階のファイバ接続構成では、モード変調光注入によりモードロックパルス発振

ロックパルス発振状態にするためには偏光をさせる研究はすでに行われており、変調の調整が必要である。cw 光は SOA に対し光が SOA の利得を変調することで、SOAて TE (Transverse electric) モードで入射し、を強度変調器として動作させ、10 GHz のパ

フ ィ ー ド バ ッ ク 光 は TM (Transverseルス発生を実現している[5]。この方法がmagnetic) モードで入射する。MZI 内部の偏DISC-loop にも取り入れられるのではない光子により TM モードのフィードバック光かと考えた。変調光を注入する DISC-loopが除去され DISC-gate は偏光変換ゲートの実験構成を図 2 に示す。リング共振器へのように働く。フィードバック光が TE モード入力部分が、図 1 の DISC-loop の基本構成に 近 づ く と 増 幅 自 然 放 出 光 (Amplifiedと異なっている。DFB-LD から出力される

spontaneous emission, ASE) が周回しモード

波長 1550 nm の cw 光を電界吸収型変調器

ロックパルス発振せず、cw 発振する。

(Electro-absorption modulator, EAM) によっ

フィードバック光の偏光を TE モードかて、繰り返し周波数 10.5 GHz で強度変調し、ら TM モードへ回転させていくと cw 発振か

DISC-loop のリング共振器へ入力する強度らモードロックパルス発振へ移行する。

変調光を作成した。変調光の波形が図 3 でDISC-loop は受動モードロック発振をするある。繰り返し周波数はリング共振器内部ため、cw 発振からモードロックパルス発振の ED-MZI の FSR である 10.5 GHz に合わせへ移行するときに突発的にパルスが発生した。消光比 9 dB、強度 0 dBm で SOA に対たり停止したりした。これが Q スイッチのして TE モードで入射した。
SOA は InPhenix

トリガとなり、キャリアが蓄積された EDFA

社製の IPSAD1501 を使用し、注入電流 200によって高エネルギーパルスが発生し SOAmA で駆動した。DISC-gate の MZI で使用しの入力端面を損傷させる。ているカルサイトは∆t = 2.3 ps のものを使

この突発的なパルス発生・停止を防ぐた用した。EDFA 後のバンドパスフィルタめに外部変調による能動モードロックパル(Band pass filter, BPF) 、1/4 波長板 (Quarterス発振を取り入れようと考えた。

wavelength plate, Q) 、偏光子 (Polarizer, P)
2

は余分な ASE 成分を除去するために使用し、 では cw 発振する状態にした。そのときの出ED-MZI 後の Q、1/2 波長板 (Half wavelength

力波形が図 4 である。cw 光が出力されずにplate, H) は SOA に入射するフィードバッパルスが出力されていることがわかる。繰

ク光の偏光を調整するために使用した。そり返し周波数は外部変調と同じ 10.5 GHz、して、EDFA は利得が 27 dB 程度になるようパルスの時間幅は 27 ps、消光比は 7.2 dB だにポンプパワーを調整した。

った。光スペクトルを見ると 1548.3 nm と1551.8 nm 付近の波長が強く発振している。
この波長は DISC-gate の MZI で干渉するときに最大透過する波長であり、入力している変調光成分が出力されているわけではないことがわかる。つまり、SOA が強度変調

図 2 変調光を注入する DISC-loop 構成器のように働き、ASE を強度変調することでパルス発振している。この状態からフィSFG intensity (a. u.)

ードバック光を TM モードへと調整してい0.2くと、図 5 のようにモードロックパルス発(a)振した出力が得られた。繰り返し周波数は外部変調の周波数と一致した。パルス幅は0.1

波形を sech2 型と仮定すると 2.1 ps となり、カルサイトの∆t に近い値となった。消光比は 13.8 dB、出力平均強度は-6 dBm だった。

0-50050100

中心波長は入力の波長 1550 nm に一致した。

150

Delay time (ps)

よって、遅延干渉の原理によってパルスがIntensity (dBm/nm)

形成されていることがわかる。
2010

しかしながら、モードロックパルス発振(b)時に、スペクトルの中心付近に窪みや、そ0の長波長側に突出した成分が見られた(図 5-10(b))。窪みは DISC-gate の位相バイアスがπ-20に近いことが原因であるが、突出している-30成分は入力変調光が影響を与えているので1549.6 1549.8 1550 1550.2 1550.4はないかと考えた。

Wavelength (nm)
図 3 入力変調光波形(a) 時間波形、(b) 光スペクトル
まずはフィードバック光が TE モードになるように偏光を調整し、従来の cw 光入力
3

SHG intensity (a. u.)

0.34(a)0.2

次に入力変調光が DISC-loop 出力に与える影響について調査した。特に、変調光の0.1

消光比、繰り返し周波数依存性を調べた。
0-50050100

まず、入力変調光の消光比を 9 dB から徐々150

Delay time (ps)Intensity (dBm/nm)

DISC-loop 出力の出力の入力変調光依存性に低下させていき 5 dB まで下げたときの出力が図 6 の緑線である。図 6 (a) の時間波形

0(b)ではパルス幅、消光比ともにほとんど変化-20は見られなかったが、(b) の光スペクトルでは 9 dB の入力では大きく突出する成分が見-40られていたが、5 dB の入力では sech2 型のフ-601546154815501552ィッティングに収まるまでに低下した。こ1554

Wavelength (nm)の時の時間バンド幅積は 0.394 となりフー

図 4 外部変調状態の DISC-loop 出力リエ変換限界に近い値となった。

(a) 自己相関波形、(b) 光スペクトル

入力の消光比をこれよりも低下させるとSHG intensity (a. u.)

発振が不安定になった。これは消光比が低下すると、かけている変調も低下すること1.2(a)1になりシングルパルス発振ではなく、マル

0.8チパルス発振するためであると考えられる。

0.6

図 6(a)で入力が 5 dB の時、パルスの裾が若0.4干広がっているのもこのためであると考え

0.20-50050100られる。

150

Intensity (dBm/nm)

Delay time (ps)0(b)-20-40-6015461548155015521554

Wavelength (nm)
図 5 モードロックパルス発振状態のDISC-loop 出力(a) 自己相関波形、(b) 光スペクトル

4SHG intensity (a. u.)

10.4 ~ 10.5 GHz の範囲では∆t よりも細いパ

1.2

Extinction ratio of input
9 dB
15 dB
2
Fitting (sech )(a)

ルスが観測されたため、100 MHz の範囲で調整できる周波数精度で設定すれば安定し0.8たモードロックパルス発振が行えると考え0.6られる。

0.4
0.2
0-20Frequency, ∆f = f - 10.5 (GHz)-10010-0.4
1520

FWHM (ps)Intensity (mW/nm)

Delay time (ps)0.3
Input extinction ratio
9 dB
5 dB
2Fitting (sech )0.2(b)

0.1

-0.2

00.2

0.4

10.3

10.5

10.7

10.9

105010.1

Repetition frequency of
injected light, f (GHz)01547 1548 1549 1550 1551 1552 1553

Wavelength (nm)

図 7 DISC-loop 出力パルス幅の変調周波数

図 6 DISC-loop 出力の入力変調光消光比依依存性

存性 (a)自己相関波形、(b)光スペクトル(縦軸 mW 表示)

5

外部変調による外部変調による 40 GHz パルス発パルス発生

次に、出力の変調繰り返し周波数依存性外部変調を利用して、40 GHz のパルス発を 調 査 し た 。 変 調 周 波 数 を ED-MZI の生も行った。
実験構成は図 2 の ED-MZI を、

FSR=10.5 GHz から上下させ、出力波形を自FSR が 40 GHz のエタロンに取り換え、変調己相関で時間平均し観測した。その結果が光の繰り返し周波数をエタロンの FSR の図 7 である。10.5 GHz の時、つまり変調周1/4 である 10.0 GHz に変更したものである。

波数が ED-MZI の FSR と一致しているとき

EDFA の利得は約 32 dB 程度になるようにが最も発振が安定し、細いパルスが観測さ設定した。リング共振器に入力した変調光れた。この周波数からずれていくほど幅のは光強度 0 dBm、中心波長 1550 nm、消光比広いパルスが観測された。これもマルチパ

3 dB である。なお、出力の時間波形は MLFLルス発振が原因だと考えている。外部変調で作成した 10.0 GHz の光クロックパルスをの周波数のパルスと、それが ED-MZI によ参照光とした相互相関で観測した。って 10.5 GHz 周期で分割された光ができる

この結果が図 8 の青線である。時間波形ために、マルチパルス発振するのではないには入力変調光を重ね描きし、10 GHz の周かと推定している。測定した範囲の中では期でピーク強度が増減しているパルス列が5観測された。この増減は変調光が遅延干渉ードバック光の偏光状態によって、外部変によってパルスが形成されているためだと調による発振状態と、遅延干渉によるモー2考えられる。波形を sech 型と仮定するとパドロックパルス発振状態が観測された。そルス幅は 6 ps となり、
∆t = 2.3 ps よりも広がして、モードロックパルス発振時の出力はった。これは、参照光の繰り返し周波数が入力変調光の消光比と繰り返し周波数に大DISC-loop 出力の繰り返し周波数と若干ずきく影響を受けた。また、40 GHz のパルスれているためではないかと推定している。

発生実験も行い、10 GHz の変調光と FSR が光スペクトルでは 40 GHz の成分の根元に40 GHz のエタロンを使用することで、4010 GHz の成分が小さく見られた。

GHz のパルスが発生することも示した。

SFG intensity (a. u.)

今後の課題としては外部変調による発振とモードロックパルス発振の発振条件につ

1.4
1.2Input modulated light
DISC-loop output(a)いて、より具体的に調査することや、本方式を用いた 40 GHz 以上の高周波パルス発1生が挙げられる。

0.8
0.60.4

参考文献

0.2[1] Y. Ueno et al., IEEE Photon. Technol.

0-100-50

050Lett., Vol. 10, pp. 346-348 (March 1998)

Intensity (dBm/nm)

Delay time (ps)[2] Y. Ueno et al., Appl. Phys. Lett., vol. 79,
pp. 2520-2522 (2001)

200(b)[3] Y. Barbarin et al., Proc. IEEE/LEOS
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CMG5 (2006)[5] C. O’Riordan et al., Opt. Comm., 283, pp.

-60

1865-1868 (2010)
-80

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1550

1552

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Wavelength (nm)
図 8 DISC-loop での 40 GHz パルス発振(a)時間波形、(b)光スペクトル6

結論
DISC-loop において Q スイッチによる高エネルギーパルス発生を防ぐために、変調光注入による外部変調を取り入れたパルス発生を行った。結果として、SOA へのフィ6