超高速全光ゲートを利用したモード同期パルス発生 …...1...

1

超高速全光ゲートを利用したモード同期パルス発生器の

4ps,10GHz, 単一縦モード発振

上野研究室

中本　亮一 (M) 竹内　宏幸○(M2)　稲富　友一(B)

2008年4月4日木村･一色研　上野研　合同セミナー

UltrafastUltrafast Optical Logic Lab., UECOptical Logic Lab., UEC

2

研究の背景:　将来の光通信と全光ゲート

通信需要の増大により

波長分割多重(WDM) →　WDM + 光時分割多重(OTDM)(1波長あたり 10 ~ 40 Gb/s) →(1波長あたり 40 ~ Gb/s)

将来の光通信

•40 ~ GHzの高繰り返し周波数•繰り返し周波数に対応した数ps ~fsのパルス幅

•集積化可能　高い信頼性


OTDM用光源

全光ゲートを用いたモード同期パルス発生器

期待される光源

•電気的変調不要の為、100 GHz以上の動作が可能

•光－電気－光の処理より低消費電力•部品数の削減、信頼性

全光ゲートの利点

3

研究の背景:　DISC-loop型パルス発生器

・パルスのパラメータをそれぞれ独立に設定できるため

柔軟にシステムが構築可能

パルス幅, ∆t, マッハツェンダ干渉計　(MZI)繰り返し周波数, ∆f, エタロン (自由スペクトル間隔, FSR)中心光周波数, f0, 分布帰還型レーザダイオード　(DFB-LD)

・汎用光部品 (SOA, etc)で、パルス発生器が構築可能

→集積化可能　(EDFAはSOAに交換可能)

本パルス発生器の特徴

遅延干渉型波長変換器(Delayed InterferenceSignal-wavelength Converter:　DISC)の略称

•波長変換•多重分離(時間領域)•論理動作(AND,OR,etc)

ＤＩＳＣとは

DISC-loop型パルス発生器の構成と原理

SOA: 半導体光増幅器, P: 偏光子EDFA: エルビウム添加ファイバ増幅器Q: λ/4 波長板, H: λ/2 波長板


4

背景：マルチ縦モード発振

これまでの研究報告：マルチ縦モード発振(横モードはシングル)サイドモード抑圧比 (SMSR)　：　0　～　10 dB

共振器周波数(loop１周での共振周波数)

Ultrafast Optical Logic Lab., UECUltrafast Optical Logic Lab., UEC

tλ

単一縦モード発振になるエタロンの3 dB帯域幅の予想値400 MHz – 1000 MHz

(R. Suzuki, UEC, 2006)点：　測定点破線：　近似曲線

2 4 6 8

20

40

60

80

100

Etalon3dB bandwidth (GHz)

Num

ber o

f lon

gitu

dina

l mod

e

1

通信用途には、安定動作が必要なので単一縦モード発振化が必須

Ｏ/Ｅ変換

光スペクトルf

10 MHz

10 GHz

SMSR

OE変換スペクトル

0.08 nm = 10 GHz ⊿λ＝ 80 fm⊿f ＝10 MHz パルス間隔が不安定

5

本研究の目的

　　 f t

　　　　

λ

0.08 nm＝10GHz

10GHz100 ps

DISC-loop型パルス発生器における単一縦モード発振

ＯＥ変換光スペクトル OE変換スペクトル時間波形

方法：エタロンの3 dB帯域幅の狭窄化


6

高フィネスエタロンの設計と評価

反射率 [%] (フィネス) 3dB 帯域幅 [MHz] 損失(計算値) [dB]

#a 96.9 (100) 100 1.5#b 99.7 (500) 20 5.6

設計値 (板厚 10.3　mm (FSR: 10 GHz))

エタロンの製作協力日本航空電子工業(株)

-10 0 +10-40

-30

-20

-10

0

Relative frequency (GHz)

Tran

smitt

ance

(dB

)

-1 0 +1-40

-30

-20

-10

0

Relative frequency (GHz)

Tran

smitt

ance

(dB

)

点：測定ポイント破線：フィッティング曲線

#aの透過スペクトル

拡大

ミラーホルダによる入射光角調節　< 0.1°実測値


3dB 帯域幅 [MHz] 損失(実測値) [dB]

#a 180 5.5#b 120 17.0

目標値(R. Suzuki, UEC, 2006 より)3 dB帯域幅： < 400 MHz損失 < 10 dB

7

注入CW光の光周波数制御


Optical frequency

Tran

smitt

ance

CW

Optical frequency

Tran

smitt

ance

CW

Optical frequency

Tran

smitt

ance

CW

Optical frequency

Tran

smitt

ance

CW

1549 1549.5 1550

-80

-60

-40

-20

0

Wavelength (nm)In

tens

ity (d

Bm

)1549 1549.5 1550

-80

-60

-40

-20

0

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(dB

m)

パルスの光スペクトル

エタロンが狭帯域になるほどCW光の光周波数をエタロンの透過波長に

精度よくあわせなければならない

エタロンの透過スペクトルと注入ＣＷ光周波数

8

パルス発生の実験構成

共振器長: 26 m共振器周波数：12MHz

温度コントローラによる時間安定度: <　1 mK直流電流の設定分解能: 7 µΑ

CW光

DFB-LDの調整精度

カルサイト厚(8.5 mm ,3.85 mm)

発振光周波数の時間安定度: 3 MHz発振光周波数の設定分解能: 4 MHz


9

-100 0 +100

0

1

Delay (ps)

SHG

inte

nsity

(a.u

.)

1548 1549 1550 1551

-80

-60

-40

-20

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(dB

m)

自己相関波形光スペクトル

15 dB

パルス発生結果　遅延時間 = 5.0 ps (1)

中心光周波数：193.52 THz(中心光波長：1549.2 nm)パルス幅： 3.9 psパルス消光比： > 15 dB

黒線：パルスの測定結果青線：測定系のバックグランド


10

9.97 9.98 9.99 10 10.01-80

-60

-40

-20

0-20 -10 0 +10 +20

-6.4-6.2-6-5.8-5.6-5.4

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

Tran

smitt

ance

(dB

)

Optical frequency, f - fcarrier (MHz)

10.3 10.4 10.5 10.6

-60

-40

-20

0

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)



サイドモード抑圧比(SMSR)を本研究以前より42 dB 改善

ピーク周波数： 9.9881 GHz共振器周波数： 11.7 MHz エタロンの3 dB帯域幅: 180 MHz

本研究以前の結果

パルスのOE変換スペクトル実線：測定結果, 破線：エタロンの透過スペクトル

6 dB

9.8 9.9 10 10.1 10.2-80

-60

-40

-20

0-200 -100 0 +100 +200

-20

-15

-10

-5

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

Tran

smitt

ance

(dB

)


48 dB

ピーク周波数： 9.9891 GHz共振器周波数, fc： 11.7 MHz エタロンの3 dB帯域幅, BW: 180 MHzBW/ fc: 15

拡大

11

-100 0 +100

0

1

Delay (ps)

SHG

inte

nsity

(a.u

.)


自己相関波形光スペクトル

1546 1548 1550 1552

-80

-60

-40

-20

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(dB

m)

19 dB

中心光周波数：193.52 THz(中心光波長：1549.2 nm)パルス幅： 2.1 psパルス消光比： >19 dB

黒線：パルスの測定結果青線：測定系のバックグランド


12

9.97 9.98 9.99 10-80

-60

-40

-20

0-20 -10 0 +10 +20

-6.5

-6

-5.5

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

Tran

smitt

ance

(dB

)


10.44 10.47 10.5 10.53-80

-60

-40

-20

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)



サイドモード抑圧比(SMSR)を本研究以前より30 dB 改善

ピーク周波数： 9.9891 GHz共振器周波数, fc： 11.7 MHz エタロンの3 dB帯域幅, BW: 180 MHzBW/ fc: 15


パルスのOE変換スペクトル実線：測定結果, 破線：エタロンの透過スペクトル

5 dB

35 dB

9.8 9.9 10 10.1 10.2-80

-60

-40

-20

0-200 -100 0 +100 +200

-20

-15

-10

-5

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

Tran

smitt

ance

(dB

)


13

まとめ

高フィネスエタロンを使用し、DISC-loop型パルス発生器

において単一縦モード発振を初めて実証

条件

・エタロンの3 dB帯域幅 / 共振器周波数 = 15.4 (共振器周波数: 11.7 MHz、エタロンの3 dB帯域幅: 180 MHz)・注入連続光の光周波数を共振器周波数以下の精度で制御

今後の課題・短パルス化 ( < 1.5 ps)・高繰り返し周波数( > 40GHz)での単一縦モードの実現

・パルス発生器の小型、集積化


14


15

8/21 フィネスを用いて反射率を出すのは、問題がある？？？のでカルサイトの透過スペクトルのpeakとvalleyを使って、反射率Rを導出する。

)2/(sin4)1()1(

22

2

δRRR

II

input

trans

+−−

=λ

θπδ cos4 nL= より

Ivalley

エタロンの定義最終版

単純に考えて、Ipeakが最大、Ivalleyが最小になると

すれば、

04)1()1(

2

2

×+−−

=RR

RI peak

14)1()1(

2

2

×+−−

=RR

RIvalley

Ipeak

となる。これより2

2

2

11

4)1()1(

+−

=+−

−=

RR

RRR

II

peak

valley

となる。このIvalleyとIpeakの比率は、透過強度I が[dBm]の場合、結局それぞれの差分が、その比になるのでグラフから求めた最大ー最小がこのIvalley/Ipeakである。

その値をγとすると。2

11

+−

=RRγ

γγ

+−

=11R となる。変形して

この式でも以前の式と同じ結果が得られ。この方が単純で分かりやすいといえる。計算ミスも少なくすむのでこちらを使ったほうが良いようだ。

16

エタロンの定義最終版7/26 エタロンとしての厚さについて

先日の偏光子無しのときのデータを用いて、修正した計算式で、少し計算したが、なんだかおかしい。エタロンとしての影響をカルサイトと同じように計算しているのは問題のようだ。遅延時間を求めるならば、カルサイトと同じ方法でよいが、エタロンとしての厚さや、反射率を求めるには違う方法が必要なようだ。

結局周波数軸とスペクトル軸は、線形に変換できるので（なので)(ただし、波長による屈折率変化が急激では非線形になるはずなので)

λ/vf =

ncv /=

RRF

−≡

1π

FFSRFWHM =

θνν

cos2)())2/1((

nLFc

FFSRFWHM =

∆=∆

Θは光軸とエタロンとの角度なので垂直になっているからθ=0　cosθ=1

θν

cos2)(

nLcFSR =∆

θν cos)(2 ∆=

nFSRcL

λν ∝

周波数

周波数

スペクトルのフリンジからFSRとFWHMを求め

そこから計算すべきようだ。

17

8/2 エタロンの計算が修正エタロンの定義最終版

エタロンの式は問題なく、問題は波長から周波数軸に変えてから、グラフからパラメータを読み取る必要があることだったようだ。

グラフからpeak to peakでFSR(Δν)を求める。そこからまずエタロンとしての厚さを求めると

θν cos)(2 ∆=

nFSRcL

ここで大まかにカルサイトの厚さと合ってるか確認した後グラフからMZIの効果を考慮に入れつつ半値幅を求める。半値幅FWHM,FSRが分かったのでフィネスFを求めると

FWHMFSRF =

RRF

−≡

1π

計算が間違っていたので右に修正これから反射率を求めると

2

222

2412

FFFR +±+

=ππ

4

4

2

2

2

2

421

FFFR πππ

+±+=

このRは反射率、また反射係数rを求めると

反射率Rは最高1まで。1以上になっているのは

計算上発生してしまうため。Rr =

18

フィネスを用いて反射率を出すのは、問題がある？？？のでカルサイトの透過スペクトルのpeakとvalleyを使って、反射率Rを導出する。

)2/(sin4)1()1(

22

2

δRRR

II

input

trans

+−−

=λ

θπδ cos4 nL= より

( )( )2)(sin4)1(

2)(sin4)1(

122

222

λδλδ

RRRR

II

valley

peak

+−+−

=

ここでλ1,λ2はそれぞれpeakとvalleyでの波長

ここから変形すると

Ivalley

エタロンの定義最終版

10][

10][dBm

W =mWmWdBm

1][log10][ 10=

Ipeak

( ) ( )012

2)(sin2)(sin4 2

21

22 =+

−

−+ R

III

R valleypeak λδλδ)( valleypeak III −=

242 −±−

=bbR

( ) ( )

−

−= 2

2)(sin2)(sin4 2

21

2

III

b valleypeak λδλδ

Rr =この式でも反射率Rは2通り出てくる。ただしR>1は実際に存在しないので、ひとつに絞れる。MZIとエタロンの効果を完全に分離しないと、振幅からではきれいに出せなさそうだ。

19

注入連続光の光周波数制御

Optical frequency

Tran

smit t

a nce

Optical frequency

Tran

smit t

a nce

CW CW

Optical frequency

Tran

smit t

a nce

Optical frequency

Tran

smit t

a nce

CW CW

モードロック成功モードロック失敗

エタロンの透過スペクトルのピークに10 GHz間隔の高調波成分が立つ

印加電圧の変化による光周波数シフト

δf


DFB

DFB

PCΔf2

PD ESA

実線：光の経路破線：電気の経路

目標値光周波数設定分解能、時間安定性が共振器周波数(12 MHz) 以下

f

f

f

Δf1Δf2

δfΔf1

同じ仕様のレーザと駆動＆制御システム(直流電源 & 温度コントローラ)

PC, 偏波制御器　

PD, フォトディテクタ

ESA, 電気スペクトラムアナライザ

20

DFBの光周波数制御性の測定結果

Ultrafast Optical Logic Lab., UECUltrafast Optical Logic Lab., UEC共振器周波数以下の精度で連続光の光周波数を制御可能

-1 0 +1 +2-40

-20

0

+20

+40

Variation of applied voltage (mV)

Peak

shift

of

RF

sign

al (M

Hz)

0 100 200 300 400 500-2

0

+2

+4

+6

Elapsed time (s)

Peak

freq

uenc

y s

hift

(MH

z)

6 MHz

実線：測定結果破線：近似曲線= -3.7 MHz / 0.1mV

光スペクトル

光周波数の時間安定性光周波数設定分解能

電気スペクトル

DFB1台あたりの時間安定性：3 MHz

-10 0 +10-70

-60

-50

-40

-30

Frequency (MHz)

Inte

nsity

(dB

m)

1549 1549.5 1550

-60

-40

-20

0

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(dB

m) +0.1 mV 変えることで

約4 MHzシフト

21

単一縦モード発振, 遅延時間 = 5.0 ps

10.3 10.4 10.5 10.6

-60

-40

-20

0

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

9.97 9.98 9.99 10 10.01

-60

-40

-20

0

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

48 dB

パルスのOE変換スペクトル

6 dB

9.8 9.9 10 10.1 10.2

-60

-40

-20

0

Frequency (GHz)In

tens

ity (d

Bm

)本研究以前の結果


1548 1549 1550 1551

-80

-60

-40

-20

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(dB

m)

-100 0 +1000

0.5

1

1.5

Delay (ps)

SHG

inte

nsity

(a.u

.)

サイドモード抑圧比(SMSR)を本研究以前より42 dB 改善光スペクトル自己相関波形

ピーク周波数： 9.9881 GHz共振器周波数： 11.7 MHz 中心光周波数：193.52 THz(中心光波長：1549.2 nm)パルス幅： 3.9 psパルス消光比： 15 dB

22

単一縦モード発振, 遅延時間 = 2.2 ps

9.97 9.98 9.99 10 10.01

-60

-40

-20

0

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)


1546 1547 1548 1549 1550 1551 1552

-80

-60

-40

-20

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(dB

m)

-100 0 +1000

0.5

1

1.5

Delay (ps)

SHG

inte

nsity

(a.u

.)ピーク周波数： 9.9891 GHz共振器周波数： 11.7 MHz 中心光周波数：193.52 THz(中心光波長：1549.2 nm)パルス幅： 2.1 psパルス消光比： 15 dB

35 dB

短パルス(繰り返し周波数80 GHz相当)発生時において、30 dB 改善

パルスのOE変換スペクトル

光スペクトル自己相関波形

9.9 9.95 10 10.05-80

-60

-40

-20

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)


5 dB

10.44 10.47 10.5 10.53-80

-60

-40

-20

Frequency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

23

短パルス発生時のSMSR悪化の推定原因

エタロンのFSR = 共振器周波数の整数倍が理想

共振器周波数 = 10 MHz + δf1. エタロンのFSRと共振器周波数のズレ


2. ソリッドエタロンの分散

10.00 GHz=1000次高調波

中心成分から遠くの成分になるほど、スペクトル間隔が合わせづらくなる

10.01GHz300 GHz

= 30000次高調波・・・・・・・・・・・・・・・・

f光スペクトル

光スペクトル

10.00 GHz

f

10.01 GHz

ソリッドエタロン中での分散によりエタロンのFSRが一定でない

24

超高速全光ゲート(DISC)の動作原理

連続光の位相変調連続光の干渉

DISC: Delayed Interference Signal wavelength ConverterSOA: Semiconductor Optical Amplifier　MZI: Mach-Zehnder Interferometer

∆ΦNL

t

Φ

　ｔ２　ｔ１

Phas

e

Time

∆t

∆ΦNL

t　ｔ２　t１

Phas

e di

ffer

ence

π

∆Φ

Time

２成分間の位相差の時間依存性２成分の位相の時間依存性

∆t

∆ΦNL

t

Φ

　ｔ２　t１Time

Phas

e

研究報告・ DISCの提案, Y. Ueno, NEC, (1998)

・320 Gb/sの波長変換Y. Liu, TU Eindhoven COBRA, (2006)

π

DISC

超高速(∆t)のスイッチング動作が可能Ultrafast Optical Logic Lab., UECUltrafast Optical Logic Lab., UEC

25

パルス周回メカニズム

output

MZISOA

DISC型全光偏光変換器

DFB-LD

HP

BPF

etalon

delay

パルス波長を決定


定常状態において、　　①パルスと連続光を互いに　　　直交偏光でDISCに入力　　②連続光偏光の新しいパルスが発生し　　　DISC入力パルスが消光される　　③etalonにて、パルスが分離して、

　　遅延時間を受ける

　　④偏光が連続光に直交となったパルスが　　SOAに帰還

① DISC入力 ② DISC出力 ③ etalon 出力 ④ １周後、DISC入力

time

TE

TM

t1

time

TE

TM

t1

time

TE

TM

t1t2

time

TE

TM

t1t2

変調

消光

分離偏光回転

etalonの遅延時間

レーザ発振を抑制

繰り返し周波数を決定

パルス幅を決定

パルス周回メカニズム

26

波長変換スペクトル

-400 -200 0 +200 +400-10

-5

0

Frequency ( GHz )

Tran

smis

sivi

ty (d

B)

MZI遅延時間:2.0ps位相バイアス:1.05π

信号パルス幅2.0ps信号周波数25GHz

-300 +0 +300

-1.0

0

+1.0

Phas

e Φ

/π

Frequency (GHz)

-300 0 +300-10

-5

0

5

Frequency ( GHz )

Log

Inte

nsity

(a. u

.)

-400 -200 0 +200 +400

-1.0

0

+1.0

Frequency (GHz)

Phas

e Φ

/π

-300 0 +300

-40

-20

0

Frequency (GHz)

Log

inte

nsity

(a.u

.)

-300 0 +300

-1.0

0

+1.0

Frequency (GHz)

Phas

e Φ

/π

MZIの透過スペクトルSOA出力スペクトル

27

9.97 9.98 9.99 10 10.01

-60

-40

-20

0

Frenqency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

9.97 9.98 9.99 10 10.01

-60

-40

-20

0

Frenqency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

Q、Ｈによる偏光のズレ　< 1°

集積化の際に、精度の高い偏波制御、偏波消光比が必要

予備スライド


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