高速半導体全光ゲート
高速半導体全光ゲートのゲートの直流電力消費量の直流電力消費量の入力光信号波長依存性の入力光信号波長依存性の研究
先進理工学専攻 上野研究室 坂野 将太

1．
． 序論
半導体光増幅器(SOA)は GaAsP 等のⅢ‐

2.

アシスト光
アシスト光を用いた光加速効果
いた光加速効果

Ⅴ族化合物半導体で形成される光増幅器の光加速を利用しない場合、SOA に cw 光一種である。超高速動作、低エネルギー、とパルス光を同時に入力するとキャリアが小型で集積化可能という利点から全光通信

パルス光の増幅に消費されて減少し、そのを実現する素子として研究が盛んに行われ後、注入電流によってキャリア密度が回復ている[1]。全光通信を実現する方法の一つする。現在光加速の方法のひとつに、信号に SOA を用いた遅延干渉型波長変換器

光と制御光の他に、第 3 の波長の光を透明(DISC)がある。

波長に入力するアシスト光である[3]

DISC ゲートは SOA とマッハツェンダー

図 2 は一般的な SOA の利得スペクトルと干渉計から構成される全光波長変換器であ入力光波長の関係を示している。

る。DISC の消費電力は過去に 160 Gb/s でアシスト光の原理は、SOA の利得がパルス750 mW という結果があり、SOA の非線形入射によるキャリア消費により利得が A か位相シフト量(NPS)とキャリア回復時間にら B へと全体的に下がる。すると透明波長よって大きく左右される[2]。に入力されているアシスト光が利得負の領本研究の研究目標は SOA の波長依存性を域となり、光が吸収しキャリアの励起に使評価し、DISC 消費電力と SOA との関係を用される。したがってアシスト光を入力し解明、より低消費電力の全光ゲートを設計た場合では、注入ン電流によるキャリア回する事である。今回、バルク SOA の入力光復とアシスト光の吸収によるキャリア回復周波数測定とそれに基づいた DISC 消費電の 2 種類となるため SOA の回復時間を短縮力の評価報告をする。

することができる。
アシスト光を入力したレート方程式は次式で表すことができる。

11dg=+ΓI SOA (1)τassist τcarrierdN transp.

図 1 DISC ゲート概念図1

図 2 SOA の利得スペクトル図 3

光ヘテロダイン方式ポンプ・プロー

第 1 項はアシスト光のない状態でのキャブ 計 測 シ ス テ ム (OPO: Optical Parametric

リア寿命を示している。第 2 項は透明波長

Oscillator, AOM: Acousto-Optic Modulatorの利得差はアシスト光の強度に比例するこ

PBS: Polarizing Beam Splitter, SMF: Singleとを表している。Γは光閉じ込め係数であMode Fiber, BPF: Band Pass Filter, BS: Beamる。

Splitter,MO:

Microscope

Objective,H:

Half-wave plate, Q: Quarter-wave plate)

3. 実験構成
SOAのNPSとキャリア回復時間の評価実験スペクトルと位相スペクトルの測定を行っの構成には、ポンプ・プローブ計測方法にヘた。またアシスト光を使用しての利得スペテロダイン計測方式を加えた、光ヘテロダイクトル位相スペクトルの測定を行った。今ン方式ポンプ・プローブ計測システム[4][5]回使用した実験セットアップは図 6 に示す。

を使用した(図3)。OPO光源からは繰り返し周Tunable Laser には 3 つのエタロンを使用し波数80 MHz、幅500 fsのパルスが出力される。

バーニア効果を利用した広帯域波長可変

このシステムではSOA(Inphenix社製chip型)cw 光源を、アシスト光には中心波長 1480のNPSとキャリア回復時間をサブピコ秒スnm のファブリ・ペローレーザ(FP-LD、図 5)ケールで同時に計測できる。我々はこの構成のアシスト光使用し、励起パルスには繰りを用いてバルクSOAのNPSとキャリア回復返し周波数 12.5 GHz、中心波長 1555 nm、時間を測定し、DISC消費電力に着眼し評価しパルス幅 2.0 ps を用いた。これらのセットた。

アップを用いてバルク型 chip 型 SOA の評価

またSOAの消費電力を評価するために、広を行った。

帯域波長可変cw光源を使用してSOAの利得

図 4 利得、NPS スペクトル実験セットアップ
2

Intensity (dBm/0.1 nm)

injection current (mA)
150
120
100
8060-2050
403025-40

Probe optical wavelength (nm)

01440

1460

1480

1500
SOA gain 150 mA
w/o assist light1480 nm 0 dBm
EDFA gain(a)30Module Gain (dB)

-60

1550

20

1500

101520wavelength (nm)0

図 5 アシスト光のスペクトル190

195200205

Probe optical frequency (T Hz)

Psoa=VsoaIsoa(mW)
Nonlinear Phase Shift 0.3π(∆Φ/π)

周波数依存性周波数依存性と依存性と利得、利得、位相スペクトル
位相スペクトル+150

図6(a)にバルク型SOA(活性層長700 µm)とエルビウム添加ファイバー増幅器(EDFA)

200+100の利得スペクトルを示す。また透明波長付近に第3の光としてアシスト光(中心波長1475nm, ファブリペローレーザー)を入射した状態のSOAの利得スペクトルを示す。透明波長付近のアシスト光はSOAの利得を大きく下

Wavelength (nm)1550
1500(b)100+5001900

carryer recovery time (ps)

4. SOA のキャリア回復時間
キャリア回復時間の回復時間の入力光

195200205
Optical Frequency (THz)

げることがないことが結果から見て取れる。
またSOAの利得帯域はEDFAのそれと比べC

図6 SOAの入力光信号波長依存性バンド帯域を超えて広く分布している。

(a)SOA と EDFA の利得スペクトル(EDFA
利得スペクトル[5])、(b)SOA のキャリア回復

図6(b)にSOAのキャリア回復時間とNPSの入力プローブ光周波数依存性の図を示す。緩時間と NPS和時間測定時のSOA注入電流は150 mAである。SOAの消費電力は、NPSが0.3πとなる電5. DISC の 1 ビット当ビット当たりの消費電力たりの消費電力

力をNPSのSOA注入電流依存特性の実験結量の入力光周波数依存性果を利用し求めた。電力値は電流電圧特性の図7にバルクSOA(活性層長1000 µm)のNPS結果から電圧と電流をかけた値で計算しての直流電流消費量依存性を示す。注入直流電いる(Psoa = Vsoa * Isoa [mW])。

力に伴いNPSは指数関数的に増加する傾向

利得スペクトル同様キャリア回復時間のを示した。今回はこのデータを使用しNPSが入力周波数に対する依存性は広い帯域で回0.3πとなる電力を求めた。

復時間の差が40 ps以内と少ない結果となっ

図8には入力光周波数のデータ信号1ビッた。この原因としてはバルク型のSOAを使用

ト当たりに消費する電力量の依存性を示す。

しているため、キャリアが広い帯域にわたり電力量はDISCで波長変換を行うのに必要な分布していることによると考えられる。

NPS量である0.3πを基準に電力量をDISCの3動作周波数(今回はSOAのキャリア緩和時間6. 透明波長に透明波長にアシスト光アシスト光を入力する入力する光加速する光加速を使用した。)を割ることで算出した。グラ効果を消費電力の効果を利用した利用したSOA消費電力
した消費電力の抑制実験結フから入力光周波数が低くなるほど消費電果
図 9 に SOA の図 10 に SOA 消費電力のアとしては入力光周波数のNPS量の依存性がシスト光強度依存性の図を表す。SOA 透明多く影響しているためと考えられる。考察の波長にレーザ(図 5、中心波長 1475 nm,理由として図6(b)SOAのキャリア回復時間のFP-LD)を入力しているので図 6(a)と同様に入力周波数依存性の結果から、キャリアの回強い光強度でも、NPS 量を下げるといった、復時間は入力周波数に対する影響は少ない

キャリア密度の低下を起こしていない。アことがわかる。次に図7を見るとNPS0.3πを満シスト光強度を強めるに従ってキャリア回たす電力では長波長(低入力光周波数)側で高復時間が短縮された。ただしアシスト光強い値を示している。この緩和時間とNPSの結度 4 mW で 100 ps(SOA 150 mA、活性層長果からSOA消費電力の入力光周波数依存性700 µm)に達すると、それ以上緩和時間は短はNPSの影響が大きいと考えた。

縮されなかった。1 つ目の原因として使用

Nonlinear Phase Shift (∆Φ/π)

力量は減少していることがわかる。この要因

したアシスト光が FP-LD で出力帯域が1460-1490 nm と広範囲であるため、光強度

probe optical frequency
1480 nm
1500 nm
1530 nm
1555 nm1が強いと出力が SOA 利得帯域部分にかかるため利得を減らしてしまった。2 つ目として透明波長に入射しているため、キャリ0.5

ア回復に使われる光強度量が少ないので、入射強度を強くしても効果が少ないことが00100200

Psoa=VsoaIsoa(mW)

挙げられる。今回入射した光強度は 8 mW

300までだが、高強度の光を SOA に入射すると

図7 NPSのSOA直流電力量依存性

そのため 8 mW 以上の実験は現在研究室では困難なためこれ以上の加速効果は難しい。
10Nonlinear Phase Shift ( ∆Φ/π)

Pop=V opIop(pj/bit)at ∆Φ=0.3π

40

Wavelength (nm)
1550
1500

SOA の端面が焼けて損傷する恐れがある。

830

6204

10019020195
200205
Optical Frequency (THz)

0.26
0.24
0.22
0.201234assist light intensity (mW)

図8 NPS0.3πでの1ビット当たりの直流電

図9 NPSのアシスト光強度依存性

力消費量の入力プローブ光依存性

451/e Recovery Time (ps)ャリアが広い帯域にわたり分布しているこ
injection current
150 mA
200 mA

150とと考えられる。
次にSOA消費電力の入力周波数依存は傾向として長波長側で消費電力が低い結果を100得た。この要因としては光周波数のNPS量の50差が影響していると考えられる。理由としてキャリアの回復時間は入力周波数に対する002

46810

影響は少なく、NPS量の入力周波数依存性はAssist Light Intensity (mW)

0.3 を満たす低い電力では長波長(低光周波Psoa=V soaIsoa+Passist light intensity/CRT(pj/bit)

図10 光加速効果のアシスト光依存性数)で高い値を示している。この2つの結果か
ら消費電力の入力光周波数依存性はNPSの50影響が大きいと考えた。

SOA injection current
150 mA
200 mA

40

最後にSOA消費電力のアシスト光強度依30存性を評価した。今回使用したアシスト光20(中心波長1475 nm, FP-LD)はアシスト光強度を強めるに従ってキャリア回復時間が短縮10された。ただし4 mWで100 ps(SOA 150 mA、002468Assist Light Intensity (mW)

10 活性層長700 µm)に達すると、それ以上短縮されなかった。原因としてアシスト光のレー

図10 1ビット当たりの直流電力消費量のザの出力帯域が1460-1490 nmと広範囲であアシスト光依存性るため、光強度が強いと出力がSOA利得帯域部分にかかるため回復に使われなかったと考えられる。

6．
．結論

今後の課題としてはアシスト光の入力周

今回はバルクSOAの消費電力に対して入波数による消費電力の依存性の分析。構造の力周波数依存性について調査し、そのうえで異なる半導体材料(例えば量子井戸、量子ドどのような条件や状態がDISCゲートの消費ット)を用いて消費電力に関する評価を行う、電力の抑制に好ましいかを調査した。

また今回の評価はSOAの消費電力をキャリ初めにバルク型SOA(活性層長700 µm)の利ア回復レートとNPSから間接的に評価した

得スペクトルとキャリア回復時間の入力周ものなので、実際にDISCゲート動作時の消費波数依存性を測定した。SOAの利得は195電力を評価し消費電力の低減を行えるSOATHzを中心に10 THzの広い帯域にわたり20を判断するなどが挙げられる。

dB程度の利得を得られた。キャリア回復時間

本研究が今後の光半導体の発展に少しでも利得と同様の範囲で回復時間に差が40 psも役立つことを期待する。

以内と少ない結果を得られた。この原因としてはバルク型のSOAを使用しているため、キ5

参考文献[1] Y. Ueno, S. Nakamura, and K. Tajima, J.

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[2] J. Sakaguchi, F. Salleras, K. Nishimura, Y.
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S. Ohkouchi, H. Ishikawa, J. Appl. Phys,
vol. 96, No. 3, pp. 1425-1434, (2004).

発表実績[1] 坂野将太、Nguyen Tuan Anh、吉川恵太、

上野芳康、「バルク型半導体光増幅器の入力光周波数依存消費電力調査」、2012年春
季 第59回応用物理学会関係連合講演会、
18a-GP4-8[2] S. Sakano, K. Hirai, T. A. Nguyen, and Y.
Ueno, “Dependences of dc-power
consumptions in ultrafast all-opticalsemiconductor gates on their input-data's
optical center frequencies,” Triangle
Symposium on Advanced ICT 2012, CD-66