2006/11/24 Seminar-Progresses-A1.ppt 1

上野研 卒業研究生、2006年度

稲田功一郎

奥平将俊

西田武洋

本間正徳

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

河野研･上野研 合同セミナー

卒業研究中間報告会スライド集

2006年11月24日

1

光ヘテロダイン法による160GHz領域の周波

数スペクトル計測方法の研究

電子工学科 上野研究室

0212014 稲田功一郎

2

発表内容

研究の背景高品質な光パルス光源の必要性

DISC-Loopによるパルス発生

目的DISC-Loopクロックパルススペクトルの測定

実験2台DFB-LDヘテロダイン実験

DFB-LDの線幅測定実験

まとめ

3

研究の背景①：高品質な光パルス光源の必要性

波長分割多重（WDM）100 Ch以上、高コスト、大型化

光時間分割多重（OTDM）

技術による超高速化の研究

高品質な光パルス光源の必要性

安定した周波数

タイミングジッタが小さい

強度ジッタが小さい

t

タイミングジッタ

強度ジッタ

通信分野

4

研究の背景②：DISC-Loopによるパルス発生

光クロックパルス

6~100ps（10~160GHz）

強度一定の光

高信頼・高精度な10～160GHｚ光信号源

DISC-Loopパルス発生回路

①定常光入力

②パ

ルス

の生

成

④パ

ルス

正帰

還

①集積化・省エネルギー化可能②パルス幅、繰り返し周波数が可変③長期信頼性が高い④大量生産に適している

等の理由から、将来の超高速光パルス源として有望である

③パルスの分離

（遅延干渉型波長変換器）

5

目的:DISC-Loopクロックパルススペクトルの測定

1549 1549.5 1550 1550.5

-80

-60

-40

-20

0

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(dB

m)

7.05 7.1 7.15 7.2

-60

-50

-40

-30

Frenqency (GHz)

Inte

nsity

(dB

m)

（鈴木励 2005年）

光スペクトル

電気スペクトル

光スペクトルアナライザでは分解能＞1.25GHzなので、測定不可（右上図、スペクトルが分離できていない）

周波数の異なる光と混ぜ合わせ、ビート光による光電流を測定することにより電気スペクトルアナライザでより高分解能な測定が可能になる（右下図、櫛状のスペクトルが観測できる）

共振器周波数5MHzで駆動するDISC-Loop光クロック

パルスの測定において、

異なる周波数の2光がフォトダイオードに入力

されると、出力光電流に差周波数の成分が発生する。

光ヘテロダイン

tEEEEeEeEtI btjtj b ωωωω cos2)( 21

22

22

2)(21 ++=+= +

193.67 193.61 193.54 193.48

5.4MHz 間隔

Optical Frequency (THz)

6

従来の光ヘテロダイン法の限界

光ヘテロダイン測定では、測定光の線幅の分スペクトルが広がってしまう。温度などの揺らぎにより、線幅は数MHzと考えられる

→5.4MHz間隔の共振器モードが１つ１つ分離できなかった

測定光に被測定光の変調光を用いて線幅の揺らぎをキャンセルする方法があるが、より高周波数のクロックパルスに対してはSN比の劣化より困難である。

7

実験①：2台のDFB-LDによるヘテロダイン実験

O/E変換器

光スペアナ

電気スペアナ

10：90カプラ

DFB-LD #1線幅164kHz

温度調節器#1

DFB-LD #2線幅176kHz

温度調節器#2

PQH Q

2台のDFB-LDによるヘテロダイン実験構成図

8

実験結果

+15.4 +15.6 +15.8 +16.0 +16.2 +16.4

-60.0

-50.0

Pow

er [d

Bm

]

Frequency [GHz]

中心周波数 15.90 GHzピーク電力 -43.8 dBm半値幅 42 MHz消光比 14.9 dB

+16.4 +16.6 +16.8 +17.0 +17.2

-50.0

-40.0

-30.0

Inte

nsity

[dB

m]

Frequency [GHz]

中心周波数 16.77GHzピーク値 -26.5dBmFWHM 12MHz消光比 28.5dB

+16.2 +16.4 +16.6 +16.8 +17.0 +17.2

-60.0

-50.0

-40.0

-30.0

Inte

nsity

[dB

m]

Frequency [GHz]

中心周波数 16.6GHzピーク値 -26.3dBmFWHM 11MHz消光比 40dBm

(a) (b) (c)

1、(A),(a) （温調精度<0.01℃ & <0.01℃ ）2、(B),(b) （<0.004℃ & <0.01℃ ）3、(C),(c) （<0.004℃ & ＜0.002℃ ）

OE変換スペクトル

+1548.8 +1549.0 +1549.2 +1549.4 +1549.6 +1549.8

-80.0

-60.0

-40.0

-20.0

Inte

nsity

[dB

m]

Wavelength [nm]

周波数差 16.6 GHz左ピーク -10.3 dBm右ピーク -11.0 dBm

+1549.0 +1549.2 +1549.4 +1549.6 +1549.8 +1550.0

-60.0

-40.0

-20.0

0.0

Inte

nsity

[dB

m]

Wavelength [nm]

周波数差 16.5 GHz左ピーク 0.069 dBm右ピーク 1.8 dBm

+1549.0 +1549.2 +1549.4 +1549.6 +1549.8 +1550.0

-60.0

-40.0

-20.0

0.0

Inte

nsity

[dB

m]

Wavelength [nm]

周波数差 16.7 GHz左ピーク 0.297 dBm右ピーク 1.76 dBm

(A) (B) (C)

光スペクトル

OEスペクトル幅12 MHz >> 2台DFBの線幅の和340 kHz

DFB-LDの実際の線幅を知りたい

9

実験②：DFB-LDの線幅の測定

DFB-LD

LN

EAMO/E変換器

電気スペアナ

光スペアナ

2.5km SMF

6GHz

10GHz

PC

自己遅延ヘテロダイン法による線幅測定実験構成図

Q H

P

Q H

Q

レーザ出力を2つにわけ、片方に遅延時間を与えることにより、レーザの線幅を測定する方法。ビートスペクトルの半値半幅が線幅となる。

線幅 20MHz（公称値） 176kHz

●自己遅延ヘテロダイン法

10

実験結果

3900 4000 4100-78

-76

-74

-72

-70

-68

Frequency [MHz]

Pow

er [d

Bm

]

1555.8 1556 1556.2 1556.4

-40

-30

-20

-10

Wavelength [nm]

Inte

nsity

[dB

m]

3996 3998 4000 4002 4004

-75

-70

-65

Frequency [MHz]

Pow

er [d

Bm

]

1549.3 1549.5 1549.7

-40

-30

-20

-10

Wavelength [nm]

Inte

nsity

[dB

m]

(A)

(a)

(B)

(b)

20 MHz DFB-LDの測定結果(A)光スペクトル (a)OE変換スペクトル

176 kHz DFB-LDの測定結果(B)光スペクトル (b)OE変換スペクトル

4GHz 4GHz

半値半幅 5.4MHz 半値半幅 490kHz

11

まとめ

光ヘテロダイン法に用いているレーザの線幅＝分解能が、共振器モード間隔よりも小さいことがわかった

共振器スペクトルが分離できない原因を追究する

超高速光信号発生用光多重回路と光増幅器の分

散補償方法の研究

2006/11/24発表者 上野研究室 奥平将俊

項目

• 背景・目標

• EDFA(Er-doped fiber amplifier)とは

• 実際の研究

• まとめ

• これから～最終目標

背景

現在当研究室では、OTDM(Optical Time Division Multiplexing)による多重化でパルスの繰り返し周波数が200GHzのパルス列

の発生に成功している。しかし、パルス幅は広がり、またパルス個々のパワーは減少する。

12.5Gb/s, 2ch

光時間多重

高速光デジタル信号

25Gb/s, 1ch

OTDM（光時間分割多重） 低速光デジタル信号を、光時間多重する

低速光デジタル信号

200Gb/s, 1ch多重１段

多重２，３，４段

一度研究室でEDFAの製作手順を確立することにより、これからEDFAが必要に

なったときに素早く製作に対応できるようになる。

当研究室で分散（パルスの広がり）を抑えたEDFAを製作したい！

増大し続ける通信容量を支えるために、近い将来の超高速光通信システムでは超短光クロックパルスが必要とされる。当研究室でも超短光クロックパルスを作り出し、そのパルスを使ったゲート動作の挙動を調べたい！

OTDM(Optical Time Division Multiplexing)日本語でいうところの光時分割多重は時間軸上で光パルス列を多重する高速化方式のこと

VOA

Delay

カプラ

カプラ：光を合波または分波する部品。50：50カプラ

ならば、入れた光をパワー比で半々に分波する。VOA（可変光アッテネーター）：光に対する減衰器DELAY：光に対する遅延器

当研究室員自作のMUX（多重器）内部写真

VOA

DELAY(a)MUX構成図

50

50

50

50

50：50カプラ

A B

C

D

E

１、Aから入ったパルス列はBの50：50カプラでVOAルート、DELAYルートそれぞれ

に分波される

２、Cにきたパルス列はVOAによりパワーが減衰し、Dにきたパルス列はDELAYに

より時間遅延が与えられる

３、C、Dそれぞれから出てくるパルス列はEにおいて合波され、時間軸上でパルス列

は多重される

delay

⊿tt

tt

t⊿t

VOA

(b)OTDM-MUX概念図

12.5GHｚ 25GHｚ

EDFA(Er-Doped optical Fiber Amplifier)

EDFAに使うファイバーは、コア部分に希土類の一種であるEr3+(エルビウムイオン)を添加して作る。このようなファイバーをEDF(Er-doped fiber)といい、下図に示すような構成で、励起には半導体レーザー

を用いる。0.98μmや0.8μmの波長の光で励起された場合、その準位には電子は長くとどまらず、短い時間（数ピコ秒）で下の準位に落ちる。ここから更に下に落ちる時に、1.55μm帯の信号光を増幅（誘導放出）する。

EDFによる光増幅

EDFのエネルギー準位図

半導体レーザー

Erをドープした光ファイバー

励起光

信号光

増幅された信号光

0.8μm

0.98μm1.48μm

1.55μm

E

超高速ゲート実験に使うパルスの広がりを抑えた高周波パルス列を作るため目標飽和出力+24dBm(現在研究室にある一番の高出力EDFAで+22dBm)

手作りEDFAの目的・目標

超高速ゲート動作における各素子の挙動を調べたい！高周波パルス列が必要→200GHzパルス列の発生に成功

が、問題点→個々のパルスのパワーが小さい、パルス幅の広がり

EDFAに内蔵するファイバー長の見積

3.5 4 4.5 5[×10-7]

-0.67

-0.66

-0.65

-0.64

-0.63

-0.62

Time(s)

Vol

tage

(V)

被測定ファイバーなしSMF1.18m挿入時EDFA#1(22dBm)EDFA#2(15dBm)EDFA#3(18dBm)EDFA#4(18dBmPM)

SMF1.18m挿入時と被測定ファイバーなしの時間差は0.0582×10-7[s]以上よりEDFA#1(22dBm) 6.7962mEDFA#2(15dBm) 5.9101mEDFA#3(18dBm) 8.2742mEDFA#4(18dBmPM) 12.1143m

XmW×0.86(量子変換効率)×980/1550=250mW(≒24dBm)X=460mW(≒26.6dBm)CorActiveEDF EMP‐980 Absorption@980nm >6(dB/m)計算上最短で5mは必要である

２、研究室所有Pritel社製EDFA、内蔵ファイバー長測定結果

１、EDFスペック(EMP-980)からの計算

EDFAのASE(amplified spontaneous emission)スペクトル

1400 1500 1600 1700-100

-80

-60

-40

-20

0

Wavelength(nm)

Inte

nsity

(dB

m)

ASE 20mA ASE 30mA ASE 40mA ASE 50mA ASE 60mA ASE 70mA ASE 80mA ASE 90mA ASE 100mA ASE 110mA ASE 120mA ASE 130mA ASE 140mA ASE 150mA

CorActiveEDFのASEスペクトル

NufernEDFのASEスペクトル

Avanex製LD AJM-999(976nm)を入射しEDFのASEスペクトルを測定した

上図CorActive社製EDF EMP-980 15ｍのASEスペ

クトル下図Nufern社製EDF EDFC-980 15ｍのASEスペク

トル

・共にスペクトルは似た形になっている・注入電流を増やすにつれて、EMP-980では1550nm付近での傾きが現われてきた・EDFC-980では電流の増加とともに山が短波長側に移動したが、EMP-980では電流を増やしても

形を留めたまま全体の強度が増加している。

1400 1500 1600 1700

-80

-60

-40

-20

Wavelength(nm)

Inte

nsity

(dB

m)

ASE20mAASE30mAASE40mAASE50mAASE60mAASE70mAASE80mAASE90mAASE100mAASE120mA

偏波依存性

1550 1555 1560 1565

-32

-30

-28

-26

Wavelength(nm)

Inte

nsity

(dB

m)

Q0H0Q0H30Q0H45Q30H0Q30H30Q30H45Q45H0Q45H30Q45H45

偏波依存性

構成図(偏波依存性)

レーザー アイソレーター 偏波制御器QH可変アッテネーター

光スペアナ

励起用レーザー

カプラー

EDF

偏波状態を９通り設定し、その時の強度を測定することによりEDFの偏波依存性を調べた。

全ての測定結果が重なっており、偏波依存性はないと言える。

非飽和利得

0 20 40 60 80 100

-20

-10

0

10

20

30

Pump power(mW)

Uns

atur

ated

gai

n (d

B)

NufernEDF15m 2005/09/26NufernEDF15m 2006/06/21CorActiveEDF5m 2006/11/19

非飽和利得

レーザー アイソレーター可変アッテネーター

光スペアナ

励起用レーザー

カプラー

EDF

構成図(非飽和利得)

CW光注入電流100mA固定アッテネーター40ｄB固定EDFA注入電流0～100mA

100mA(40.56mW)注入時CorActive EMP-980 利得 17.7dB 利得係数 0.44(dB/mW)Nufern EDFC-980 利得 25.4dB 利得係数 0.63(dB/mW)

利得飽和

-10 0 100

10

20

30

Output power(dBm)

Gai

n(dB

)

NufernEDF15m 2005/07/15NufernEDF15m 2006/06/21CorActiveEDF5m 2006/11/19

-10 0 100

10

20

30

Output power(dBm)

Gai

n(dB

)

NufernEDF15m 2005/09/26NufernEDF15m 2006/06/21CorActiveEDF5m 2006/11/19

利得飽和(100mA)

利得飽和(150mA)

CW光注入電流100mA固定可変アッテネーターを0~55ｄBEDFA励起光源注入電流100mA、150mA

100ｍA(40.56mW)注入時飽和出力パワーCorActive EMP-980 1.62dBmNufern EDFC-980 2dBm

150mA(63.41mW)注入時飽和出力パワーCorActive 2.54dBmNufern 4dBm

・飽和出力パワー利得が3dB減少する時の出力パワー

取り出せるパワーの目安

まとめ

・非飽和利得励起パワー当たりの利得が小さい（EDFが短く励起光を十分吸収しきれていない）→長さを増やしてみる（10m)

・飽和出力パワーまだ目標飽和出力(+24dBm)に届いていない→高出力LD(500mW)２台による双方向励起により、励起パワーを

増やす

これから

MLFL アイソレーター

偏波制御器QH

EDFA

電気オシロスコープ

励起用レーザーカプラー

EDF

DDF

アイソレーター カプラー

偏波制御器QH

相互相関計

1550nm 980nm

1550nm

EDFによるパルス幅の広がり測定

最終目標・自作EDFAとMUXの分散補償をし、使い易い形で残す

・目標出力を目指した調整（EDF長さ,励起光パワー等）・EDFによるパルス幅の広がり測定及びDCFによる分散補償・MUXを使った高速パルス発生実験・MUXに対するDCFによる分散補償

1

DISC光ゲートの周波数と注入電流スケーリング則の理論解析研究

電子工学科 上野研究室

0312113 西田武洋

2

発表内容

• 研究の背景

• 研究の目的

• 動作原理

• 計算結果

• まとめ

• 今後の計画

3

研究の背景

◆ WDM（波長分割多重）ネットワーク10Gb/s×N ch = N×10 Gb/s

λ・・・

10 Gb/sλ1 λ2 λΝ

・現在の波長変換システム

OE変換 波長変換

光信号： λ1 電気信号 光信号：λ2

電子のドリフト速度に限界があるため周波数制限（40Gb/s）がある。

・将来の波長変換システム

光信号：λ1 光信号：λ2EO変換

光信号のみで処理するので40Gb/s以上の通信が可能

DCλ1λ2

A

B

λ1

λ1

全光波長変換

168 Gbit/s の全光波長変換 （中村 他, NEC, 2001 ）

4

研究の目的

• 高周波での効率の良い波長変換

• ゲートシミュレータをゼロから作成し、DISCゲート

の周波数、注入電流スケーリング則を数値解析

5

DISC（Delayed-Interference Signal-wavelength Converter）

CW光: λ2（強度一定 ）

データ信号: λ1（パルス）

半導体光増幅器（SOA）

変換後の信号: λ2バンドパスフィルター

（BPF）

∆ΦNL

パルスの入射時にCW光に

非線形位相シフトが起こる

t

Φ

t

片方の成分を∆Φb位相シフト

もう片方の成分：Δt 遅延させる

∆ΦΦ

t

DISC光ゲート

∆Φb

∆ｔ

2つの成分

が干渉する

2つの成分に分ける相互利得変調相互位相変調

位相シフター∆Φb

時間遅延

∆ｔ

CW:continuous wave マッハツェンダー干渉計（MZI）

6

理論解析のモデル

• レート方程式

( ) ( ) ( )[ ]{ }( ) ( )

ωτ h

22

11 tEtEtnG

Vtn

qVI

tndtd signalcw

c

op +⋅−−−=

n：キャリア密度

Iop：SOAへの注入電流

V：SOAの活性層の体積

τc：キャリアの寿命

Esigna：パルスの光強度

Ecw：ＣＷ光の光強度

0 20 40 60 80 1002

2.5

3

P cw

[mW

]

time [ps]

相互利得変調によるCW光の変調

7

計算結果１:パルスの利得飽和

100 101 102 103 104

5

10

15

Output pulse energy [fJ]

Gai

n of

pul

se e

nerg

y [d

B] 計算結果

　　　　 Iop 250mA 200mA 150mA 120mA 100mA 80mA 50mA

検証モデル 150mA

SOA

パルス

利得飽和：光強度が強くなるとSOAの利得が下がる

パルスの利得飽和：計算結果

1 10 100 1000 10000-5

0

+5

+10

+15

+20 Iop 250 mA 200 mA 150 mA 120 mA 100 mA 80 mA 60 mA 50 mA

Output pulse energy from chip (fJ)

Chi

p G

ain

(dB

)

2006,坂口氏@Ueno Lab実験データ

計算結果と検証モデルは概ね一致し、シミュレータが原理通りの動作をしている。

8446 448 450 452 4540

20

40

60

time [ps]

inte

nsity

[mW

]

計算結果２:ゲート出力

CW光 SOA

パルス b∆Φ

t∆

①⊿Φｂ＝1.0π、⊿ｔ＝2 ps

400 500 6000

20

40

60

time [ps]

inte

nsity

[mW

]

◆クロックパルス：10GHz

2.0 ps

446 448 450 452 4540

20

40

60

80

100

time [ps]

inte

nsity

[mW

]

2.4 ps

②⊿Φｂ＝1.1π、⊿ｔ＝2 ps ③⊿Φｂ＝1.1π、⊿ｔ＝4 ps

400 500 6000

20

40

60

80

100in

tens

ity [m

W]

time [ps]400 500 6000

50

100

time [ps]

inte

nsity

[mW

]

446 448 450 452 454 4560

50

100

time [ps]

inte

nsity

[mW

]

4.0 ps

9

まとめ

• DISCゲートのシミュレータをゼロから作成し、

ゲート出力まで完成した。

• 計算結果と検証モデルがほぼ一致したことにより、作成したシミュレータが原理通りの結果を再現できる。

10

• 数値解析– ゲート出力とパラメータとの因果関係

– DISCゲートの周波数と注入電流のスケーリング則

• 拡張性– サブルーチン構造やパラメータの入出力法の改良

• シミュレータの追加要素– スペクトルの計算

今後の計画

1

PC/QDゲート評価用

超高速ポンプ･プローブ計測法の入力ダイナミックレンジの研究

電子工学科 上野研究室

0312126 本間 正徳

2

発表内容

• 研究の背景

• 研究の目的

• 実験構成･結果

• まとめ

3

研究の背景

現在、光ネットワークシステムの世界では全光ゲートなどの研究がなされている

目指す所は高速動作･低エネルギー動作･小型化

PC(フォトニック結晶)、QD(量子ドット)が注目されている

→超高速動作･低エネルギー動作･微小化の可能性

未来の光ネットワークへの期待

4

研究の目的

PC/QD ゲートのサンプルを評価する

注入できるパワーが小さい(4～5mWで壊れる)

雑音の影響を受け易い

ダイナミックレンジの改善が必要

5

時間パルス幅の測定-構成図･結果

OPAL

ND filter

SMF

MO

lens delay stage BBO

lens

lens

H

Q H

(leftover)

detector

BPF

(signal) ND filter

filter lens

Fig.2 Temporal pulsewidthSMF: 20cm, OPAL center-wavelength: 1290nm,

slicing with BPF: 1310nm, FWHM: 360fs,average power after slicing: 5mW

(2006/10/11)

Fig.1 Experimental setup Cross-correlation setup using upconvertion

in BBO crystal between the sliced 1.3um pulses and OPAL leftover pulses(150fs, 775nm, 200mW).

MO: microscope objective

-400 -200 0 2000

0.05

0.1

0.15

Delay(fs)

Upc

onve

rted

pow

er(a

.u.)

360fs

6

XGM(相互利得変調)の測定-構成図

Fig.3 Pump & Probe experimental setup for SOA

OPAL signal beam(80MHz, 300mW,150fs)

OPAL

BPF

H

H

Q

BS

PBS

lens

lens

MO

MO

SOA

block

SMF

delay stage

delay stage

(pump)

(probe)

P detector

DSF

chopper

MO: microscope objective

PBS: polarization beam splitter

DSF: dispersion shift fiber

7

-10 0 100

100

200

300

400

Delay(ps)

Prob

e po

wer

(a.u

.)

1.43ps

0 50 1000

100

200

300

400

Delay(ps)

Prob

e po

wer

(a.u

.)

Fig.4 (a) XGM of 1.3um in Inphenix SOA @ 150mA.Pump’s pulse width, wavelength, input power is

150fs, 1319nm(with BPF) and 1mW,respectively.Probe’s pulse width, wavelength, input power is 360fs, 1330nm(with BPF) and 6uW, respectively.

(b) Closeup of the ultrafast dynamics(SHB, CH). FWHM of gain dip is 1.43ps. Background level is ~10mV(2.8%).

SMF: 20cm MO: ×20

SHB(Spectral Hole Burning)CH(Carrier Heating)

(2006/11/01)

(b)

(a)

XGM(相互利得変調)の測定-結果

8

PC/QD(フォトニック結晶/量子ドット)の測定-構成図

OPAL

BPF

H

H

Q

BS

PBS

lens

lens

MO

MO

PC/QD

block

SMF

delay stage

delay stage

(pump)

(probe)

detector

DSF

chopper

SLF: spherical lensed fiber

OSA: optical spectrum analyzer

SMF SLF

lens or MO lens

IR vidicon

camera

OSA

SMF SLF

(1)

(2)

flip-flop

BPF

Fig.5 Pump & Probe experimental setup for PC/QD sample

OPAL signal beam(80MHz, 300mW,150fs)

(1)透過光→赤外ビジコンカメラor

フォトディテクター(2)透過光→OSA

9

まとめ

今後の課題• PC/QD サンプルについて

(1)SMZ型の導波路へのビーム注入

→ストレート型、パーシャルSMZ型は成功

(2)OPALビームにて測定(透過スペクトル等)• フォトニック結晶、量子ドットに関する知識を増やす

主な結果• ポンプ･プローブ法によるSOAのXGMを測定出来た

→実験構成がPC/QD測定に使える

→信号パワー360mV、雑音パワー10mV(2.8%)