1.はじめに
現在の光通信システムには、送信した光信号を一度、電気信号に変換し、電気的な処理を施した後、再び光信号に戻す方式を用いている。その為、竜子の動作速度限界により、通信速度が制限（< 40-Gb/s）を受けてしまう。将来の超高速大容量フォトニックネットワーク実現の為に、電気的処理を介さない全光信号処理技術に関する研究が、近年世界中で盛んに行われている。その全光信号処理を担う全光スイッチング素子には、半導体光増幅器（semiconductor optical amplifier, SOA）を含む全光半導体ゲートが有望視されており、超高速応答(100-400 Gb/sもしくはそれ以上）、低エネルギー動作（< 10 pJ）、小型集積化可能といった長所を持ち合わせている。半導体光ゲート機能の一つである全光波長変換に関して、これまでに、遅延干渉型波長変換器(  delayed-interference   signal-wavelength converter, DISC）で160 Gb/sの実験検証¹や、 DISCに短波長シフトさせた光バンドパスフィルタ（optical bandpass filter, OBF）を加えることで、320 Gb/sの実験検証²が、それぞれ報告されている。パルス幅の狭いパルス入力（< 2 ~ 3 ps)が誘因となり、SOA内のキャリア密度緩和波形に、キャリア注入による遅い緩和時定数（第1時定数）に加えて、キャリア温度緩和による速い緩和時定数（第2時定数）を発生させる（図１）。この時定教差が、 DISC型ゲート出力波形に歪を生じさせることが、明らかになっている³・4。更に言えば、２つ以上の時定数は、他の超高速光材料である、量子ドットやサブバンド間遷移(intersubband transition, ISBT)材料にも現れる5、6。従って、波形歪に関する課題は、将来の全光通信技術の発展にとって、重要と言える。この波形歪を解消する為、周波数領域で光パルス整形を行う複素光スペクトル合成（optical-spectrum-synthesizer, OSS)型の独自の全光ゲートが、新規提案され、理論的にその有効性が示されている7。周波数制御型パルス整形研究成果として、アレイ型導波路回折格子（arrayed-waveguide grating,  AWG ）システムを用いた、 hyperbolic-secantパパルスから矩形パルスへのパルス整形の実験検証8や、InP基盤上にAWG型波形整形システムを構築し、分散補償の調査9などが、これまでに報告されていな。本研究では、標準的なSOAを用い、波形歪を解消する独自方式ゲートの検証実験を行った。また、300ギガビットゲート検証に向けて、短パルス生成実験を行った。
2.複素光スペクトル合成器を含む全
光ゲート
図2に光スペクトル合成器（OSS）を含む全光波長変換ゲートの概略図を示す。 SOAに入射された入力データパルス (λ 1 )は、誘導放出を介して、キャリア密度を消費し、SOAの利得と屈折率振動を引起す。この振動により、同時に入射された連続(continuous wave, cw) 光は、相互利得変調(cross-gain modulation, XGM)と相互位相変調（cross-phase modulation, XPM）を受ける。XGMとXPMを受けたcw光は、計算モデルに基づく透過・位相プロファイル 7を施したOSSに入射される。最終的に、時間領域で波形整形されたパルスを得る。
3. 複素光スペクトル合成実機（VBS）
特性評価実験と、その特性を考慮した
計算シミュレーション
3.1 VBSを用いた光時間多重実験
複素光スペクトル合成器を用いた独自方式ゲートの検証実験を行う前に、図３に示す実験セットアップで、スペクトル合成実機の周波数分解能、消光比などの特性評価を行った。入力クロックパルス光源に、繰り返し周波数10 GHz、半値全幅2 psのモードロックレーザダイオード(mode-lock laser diode, MLLD）を、スペクトル合成実機に、 Cバンド内で位相・透過スペクトルを調整可能な帯域可変スペクトルシェイパ10 (variable bandwidth spectrum shaper, VBS, Optoquest Co., Ltd.）の３次試作機を、それぞれ用いた。VBSは、空間光変調器（spatial light modulator, SLM)システムを有するスペクトル合成器である。VBSの透過制御を利用して、VBS出力スペクトル成分が、20 GHzもしくは40 GHz間隔になるように光スペクトルアナライザ（optical spectrum analyzer, OSA）で観測しながら、透過率の調節を施した。同時に時間多重された光時間波形を、光サンプリングオシロスコープ(optical sampling oscilloscope, OSO)で測定した。図４に、VBSの透過制御を行った出力スペクトルと時間波形を示す。10 GHzから20 GHzへの多重では、VBSの隣接するチャネルの干渉により、MLLD発振波長成分付近の最大強度比は、+4 dBであった。時間波形の強度成分の間隔は、ほぼ50 psと見積もられた。ただし、一方の波形形状が、2つに割れた様になっている。これは、チャネル干渉により、消光できなかった10 GHz成分の影響で現れたと推定した。（b）の時間波形の破線は、（a）の強度スペクトル分布測定データを、計算シミュレータに取り込んで、それに逆フーリエ変換を施して得られた時間波形である。実験値と計算値の形状は、よく一致している、その一方で、強度の不一致が、大きい。これは、強度制御時に発生する位相変動の影響と推定した。続いて、10 GHzから40 GHzへの多重では、図４（c）よりスペクトル強度成分のうち、MLLD発振波長を中心に40 GHz（0.32 nm）間隔で存在する成分に対する、その他の成分との比を、最大で+16 dB程度にすることができた。（d）のパルス時間波形の強度成分の間隔は、ほぼ25 psとなっている。実験値と計算値を比較すると、強度とその形状は、概ね一致している。これは、20 GHzの時より、チャネル干渉の度合いが、和らいだ為と推定した。以上より、光時間多重可能な最低周波数を40 GHzとみなし、ゲート実験および計算検証に用いる信号周波数を40 GHzとすることにした。また、エルビウム添加ファイバ増幅器(EDFA)の増幅自然放出(ASE)出力光をVBSへの入力光源とし、透過制御した場合、単一チャネル、隣接する複数チャネル操作時で、それぞれ、+13 dB、+22 dBの最大強度消光比を得た。周波数分解能とチャネルの透過波長の波長依存性を、図５に示す。チャネル周波数間隔は、長波長側ほど、くなっている。ただし、300チャネル以降では、急激に間隔が、広くなっている。これらは、回折格子が分散特性を持つ為である（VBS開発者の話より）。一方、透過中心波長は、チャネル番号の増加に対して、ほぼ一定割合で増加している。ただし、300 ch以降では、その増加の割合が大きくなっている特徴を持つ。以上、透過特性だけから判断すると、ON-off比の低い1552 nmやチャネル間隔が広い1560  nm付近から離れた波長のcw光を用いてゲート検証を行うのが、良いと判断できる。
3.2 VBS特性を考慮した計算シミュレーシ
コン
3.1節の結果に従って、パルス幅2.9 ps、繰り返し周波数40 Gb/sパルスに対する、最大消光比+22 dBに設定したスペクトル合成型波長変換の計算検証を行った。比較の為、遅延時間５ psのDISC型波長変換の場合も検証した。計算検証には、2005年度に中本亮一氏が、卒業研究で製作したシミュレータ7. 11を用いた。SOAの第1及び第2緩和時定数、チップ非飽和利得は、実験検証に使用する予定のSOAの実験値を参考に、それぞれ30 ps、5 ps、+15.5 dBとした。図6 (a) 、 （b）に、クロックパルス列に対するDISC型ゲート出力時間波形、OSS型ゲート出力時間波形を、それぞれ示す。図(a)で、第２時定数が引起す強い波形歪を確認した。図（b）では、歪を殆ど確認できず、信号雑音強度比（signal to noise ratio, SNR）は、約+30 dBと見積もられた。図6 （c）、 (d)は、信号長2³¹-1擬似ランダムデータパルスに対するDISC型とOSS型それぞれのゲート出力アイ・ダイアグラム（1010 bit重ね合わせ）を表している。図（c）に、クロックパルス入力時と同様、強い波形歪を確認できる。一方、図（d）には、ほぼ波形歪は見られないが、 (b)のクロックパルス入力では確認されない大きな背景雑音が、生じている。これは、ゲート出力強度スペクトルの中心波長成分だけの強度が、相対的に強く現れること ¹に原因があると推測している。以上より、強度消光比+22 dBのVBS試作機を用いて、少なくとも波形歪を充分解消できると判断した。
4.全光波長変換ゲート検証実験
実験構成図を図７に示す。 2.0-ps 、 10-GHzMLLD　出力を光時間多重器(OTDM-MUX)で40-GHzに多重した光クロックパルス信号光（波長：1550-nm）と、可変レーザによるcw光（波長：1545-nm）を、SOAモジュール（注入電流100 mA）に同時に入射した。パルスとcw光のSOAへの入射強度を、それぞれ+1.8 dBm (38 fJ) 、 -4.9 dBmとした。SOAのファイバ利得は、 +12  dB、第1緩和時定数と第2緩和時定数は、それぞれ30 ps、5 psであった。SOA内でXGMとXPMを受けたcw光のみが、5 nm帯域幅のフィルタを透過し、マッハツェンダ干渉計（MZI）（またはスペクトル合成器であるVBS）に入射される。従来方式のDISC型ゲートは、SOA、OBF、MZIで構成され、MZI内の複屈折結晶のカルサイトで、 5.0 psの遅延時間を与える。 Fig. 7. Experimental setups of the two alternative all-optical gate schemes. (a)  the conventional DISC gate. (b) the optical-spectrum-synthesizer (OSS) gate SOA: semiconductor optical amplifier, OBF: optical band-pass filter, Q: quarter-wave plate, P: polarizer, OSO: optical sampling oscilloscope, OSA: optical spectrum analyzer, VBS: variable bandwidth spectrum shaper.本研究では、3.1節で特性評価したVBS試作機を用いてOSS型ゲートを構築した。 VBSは最大強度消光比: +22 dB、最大位相制御量: 2 π、周波数分解能: 9.7 GHz ~ 11.8 GHzの性能を有している。独自方式の有効性を検証するため、3.2節で得られた設計値に従った強度･位相プロファイルをVBSに施した。図８（a）と（b）に、MZI出力スペクトルと時間波形を示す。図８（a）で、実験値のスペクトルの包絡線は、破線で表したパルス幅3.6-psのフーリエ変換限界sech²パルスに近い分布を取っている。短波長成分に比べ、長波長成分群の大きな不一致は、時間位相計算部分に簡易理論モデルを採用している為と推定した。図８（b）の測定時間波形に、第２時定数誘起の強い波形歪が見える。歪の特徴的な形状に関して、実験値と計算値はよく一致している。また、パルス間の強度雑音の大部分は、MZIで消し切れなかった残留位相成分によるものと推定した。強度・位相スペクトルの設計値から、主に第１～第３長波長スペクトル成分の強度を減衰させた場合のVBS出力スペクトルと時間波形が、図８（c）、（d）である。図8 （c）で、時間波形歪は解消されており、このときのパルス幅とSN比は、それぞれ5.0 psと10 dBであった。図８（d）のスペクトル包絡線は、4.4-psフーリエ変換限界sech²パルス（破線）とよく一致している。時間波形がスペクトル包絡線に比べ、広くなっているのは、実験で用いたOSOの時間分解能限界（< 800 fs）の為である。また、設計値から調整を要したのは、VBSのチャネル間の干渉と、強度制御時に伴う位相変動によるものと推定した。
5. ３００ギガビットゲート検証用短
パルス生成実験
300 Gb/sゲート検証に向け、短パルス発生実験を行った。実験構成を図9に示す。本研究では、分散減少ファイバ（DDF）を用いたソリトン断熱パルス圧縮を試した図１０（a）に、圧縮パルスの自己相関波形ス波長依存性を示す。入力パルス波長を1560 nmにした場合、最短でパルス幅660 fs、消光比+16 dBのペデスタルを抑制した圧縮パルスを得た。圧縮率や信号雑音比が、入力MLLDパルス波長に依存するのは、DDFの分散プロファイルが波長に対して一定で無いことや、入力パルス幅が、波長依存性を持つことによると推定した。ただし、圧縮パルスは、DDFの熱膨張によるシンセサイザのトリガ信号との相対タイミングジッタを含んでいる為、OSOで正確に波形を観測することが、できなかった。代わりに、デジタル・サンプリング・オシロスコープで観測した光竜(O/E)変換後の圧縮パルスのアイ・ダイアグラムを示す。図より、シンセサイザとの相対タイミングジッタは、 RMS値で2.34 psと見積もられた。圧縮光パルスをO/E変換した電気信号を、トリガ信号に用いることで、タイミングジッタを
低減できると予想している。
6.まとめ
一般半導体材料特有の第２緩和時定数が、引起す強い波形歪を、従来の DISC 方式からスペクトル合成方式に切替えることで解消できることを実験的に検証した。強度と位相スペクトルプロファイルを設計値から僅かに調整する事で、SN比10 dBの歪の無い波形を得た。設計値とVBS試作機との間に生じる調整の必要性は、VBSの強度制御時に伴う位相変動とチャネル間の干渉によると推定した。また、300 Gb/sゲート検証に向け、短パルス発生実験を行い、パルス幅660 fs、消光比+16 dBのペデスタルを抑制した圧縮パルスを得た。以上より、300 Gb/sOSS 型ゲート実験検証の第１段階成果として、40-GHzクロックパルス入力時に、第２キャリア時定数によって生じた強い波形歪の解消を実験的に達成した。周波数領域上での光パルス波形整形技術は、素子の応答速度に強く依存する時間領域上での整形より、信号周波数の増大に対して、寛容であり、OSS方式を用いれば、300 Gb/sを超えるSOA全光ゲート実験実証を充分に達成できると言える。また、本研究で利用した光学系の大きなSLMシステムの代わりに、AWGやフォトニック結晶を用いることで、集積化可能である。
財辞
本研究を進めるに当たり、実験機器の提供や実験構成への助言を下さった情報通信研究機構の品田聡氏、和田尚也氏、牧野健氏、住本浩之氏に対し、また、VBS試作機に関する討議や援助に関して、オプトクエスト社の朴成哲氏、依田琢也氏に深く感謝致します。