卒 業 研 究
題 目
光 SSB 変調波長変換器の適用範囲の明確化
報 告 者
1080253
島 田 泰 樹
指 導 教 員
岩 下 克 教授
平成 20 年 2 月 19 日
高知工科大学工学部
電子・光システム工学科
第1 章 序論...2 1.1 研究背景 ...2 1.2 研究内容 ...2 1.3 論文の構成 ...3 第2 章 光SSB変調の原理・特徴...4 2.1 振幅変調(AM)...4 2.1.1 DSB変調...7 2.1.2 SSB変調 ...8 2.2 光SSB変調 ...9 2.2.1 光SSBの原理 ...9 2.2.2 光SSBの構成[5]... 10 第3 章 波長変換システム ... 14 3.1 波長変換の方法・フィルタ特性 ... 14 3.1.1 波長変換 (MZI １段) ... 14 3.1.2 2 段MZI波長変換器 ... 15 3.2 波長変換器の基本系 ... 16 3.3 光SSB変調周波数決定... 17 3.4 光干渉計の設計 ... 18 3.5 PLC型MZI ... 20 第4 章 実験機材の概要... 21 4.1 光変調... 21 4.1.1 LN変調器[7]... 22 4.2 フォトダイオード... 24 4.3 光増幅器 ... 25 第5 章 光波長変換測定... 26 5.1 特性測定 ... 26 5.1.1 光SSB変調特性... 26 5.1.2 SSB変換効率 ... 27 5.1.3 光干渉計 ... 28 5.1.4 誤り率特性... 31 5.2 波長変換測定... 33 5.2.1 実験系・測定方法 ... 33 5.2.2 測定結果 ... 34 第6 章 結論... 36 謝辞... 37
第
1章 序論
1.1 研究背景
近年、ブロードバンドの普及により、インターネット利用者が増大し、超高速大容量 伝送のネットワークを構築する技術が需要を増すようになった。大容量化ネットワーク を構築するためにWDM(Wavelength Division Multiplexing: 波長分割多重)伝送方式
が用いられている。WDM は一本の光ファイバに異なる波長の光信号を通して信号多重
する伝送技術で、主に光ネットワークの長距離伝送に用いられているが、それぞれの異 なる波長に宛先を割り当て、通信を行う波長ルーティングの技術が注目されている。こ の波長ルーティングを実現するためには、順時波長を変換して伝送する波長変換技術が 必要不可欠となる。
波長変換する方法として波長変換技術には光SSB (Single Side Band)変調の波長変換 特性を利用した方法[1]や、２つ以上の異なる波長の光が相互作用して新しい光を発生さ
せる四光波混合(Four Wave Mixing FWM) [2]がある。光SSBは、新しい周波数帯の研
究や周波数利用効率の高い変調効率の開発、応用が行われており、四光波混合では、波 長変換を実現する高非線形の分散シフトファイバの研究などが行われている。[3]
1.2 研究内容
本研究ではSSB 変調器と MZI(Mach-Zehnder Interferometer)の組み合わせにより 光波長変換器を構成し、波長を変換する場合に、光フィルタの狭窄化やSSB 変調器に 数回光が通過することよって通過帯域幅が狭くなる。また、SSB の変換効率やループ 内の光増幅器の増加雑音によって信号劣化が起こり、波長変換の範囲に制限がある。 今回は数回ループによって出力ポートが切り替わるように光干渉計(MZI)を作成し、 SSB 変調器を 2 回(MZI１段)、4 回(2 段)通ったときの波長変換のスペクトルを測定す る。それぞれの状態で信号の変調速度を上げて誤り率測定を行い、この結果を元に波長 変換可能な領域を明確にする。1.3 論文の構成
第２章では光 SSB 変調の原理、特徴や波長変換特性について述べる。第３章では波 長変換システムの概要と光干渉計(MZI)について説明を行う。第 4 章では波長変換の測 定に使用した実験機材の概要を説明する。第5 章では本実験前に個々の特性を測定し、 波長変換のスペクトル・アイパターン・誤り率の測定結果を述べる。第6 章に結論、を 述べる。第
2章 光 SSB 変調の原理・特徴
この章ではSSBの原理と特徴[4]について述べる。また、光SSB変調器の構成や特性に ついても説明を行う。2.1 振幅変調(AM)
信号や情報を遠くへ伝送する場合、信号の運び主である搬送波(carrier wave :キャリ ア)に乗せて送ることにより、伝送が可能となる。その搬送波としては光や電波が知ら れている。この搬送波に情報を乗せることを変調(modulation)といい、変調された搬送 波から信号を取り出すことを復調(demodulation)という。信号は信号波(signal wave)、 もしくは変調波(modulating wave)という。変調後の搬送波は、被変調波(modulated wave)という。 搬送波を正弦波として考えると)
sin(
)
(
t
=
V
ω
t
+
θ
v
c c cω
c=
2
π
f
c 式 2-1 で表される。V
cは搬送波の振幅、t
は時間、θ
はω
t
に対する位相差、ω
cは搬送波の角 周波数、f
cは搬送波の周波数である。搬送波の振幅V
c、周波数f
c、位相差θ
を信号に 応じて変化させることにより変調が行われる。ここで信号に応じて信号のみを変化させ る場合を振幅変調(Amplitude Modulation : AM)といい、周波数のみを変化させる場合 を周波数変調(Frequency Modulation : FM)、位相差のみを変化させる場合を位相変調 (Phase Modulation : PM)という。 搬送波の振幅を信号波に応じて変調することを振幅変調という。図 2-1に示すように 振幅が である正弦波の搬送波 を振幅が である余弦波の信号波 で強度 変調を行うと のような被変調波が得られる。被変調波の振幅は搬送波に信号波 を加えたものとなり、振幅の最大値は CV
V
C(t
)
V
SV
S(t
)
)
(t
V
AM S CV
V
+
となり、最小値はV
C−
V
Sとなる。この被 変調波の振幅変化の度合いを変調度m
(modulation factor)といい、 変調度m
=
V
S/
V
C 式 2-2 で表わされる。被変調波の外側を包んだ線を包絡線(envelope)といい、これが信号波形 である。図 2-1 振幅変調波 AM 信号波を数式で表現し、次の式を 搬送波
V
C(
t
)
=
V
csin
ω
Ct
ω
c=
2
π
f
cf
c: 搬送周波数 式 2-3 信号波V
S(
t
)
=
V
scos
pt
p
=
2
π
f
P : 信号周波数 式 2-4 p f としたとき、被変調波V
AM(t
)
は次の式で与えられる。{
V
V
t
}
t
V
AM=
C+
S(
)
sin
ω
C 式 2-5t
pt
V
V
V
C C S C(
1
+
cos
)
sin
ω
=
式 2-6t
pt
m
V
C(
1
+
cos
)
sin
ω
C=
式 2-7 となり、この式はAM の一般式である。この式を展開して整理すると、t
p
m
V
t
p
m
V
t
V
V
AM C C C C Csin(
C)
2
)
sin(
2
sin
+
+
+
−
=
ω
ω
ω
式 2-8となる。この式より第1 項は搬送波であり、第 2 項は搬送波より信号周波数が高い成分 で上側波帯(upper side band : USB)と呼び、第 3 項は搬送波より信号周波数が低い成分 で下側波帯(lower side band : LSB)と呼ばれる。周波数スペクトルで搬送波、上側波帯、 下側波帯を表すと図 2-2となる。
図 2-2 AM 波の周波数スペクトル
2.1.1 DSB 変調
DSB(Double Side Band)とは両側波帯のことを表し、正しくは DSB-SC（DSB with suppressed carrier）と言い、全搬送波両側波帯と呼ぶ。これは図 2.1b のように搬送波 の周りに上側波帯と下側波帯が出力される AM 波のことを示す。この図からわかるよ うに搬送波の出力は常に一定であるが、上・下側波帯の出力は信号波に応じて変化する。 AM 放送などは、この DSB 波が用いられており、一般の AM ラジオ放送では搬送波の 出力をそのまま伝送するが、DSB では搬送波を無くし、両側波帯のみで伝送する。 変調には平衡変調器が用いられており、この変調器は搬送波を抑圧して上・下側波帯 を生成し、DSB波を作り出すものである。平衡変調器への入力は信号波と搬送波で、変 調された後にフィルタが設けられており、上・下側波帯のいずれかを選択して使用する。 DSB 波は後に説明する SSB 波の生成方法よりも簡単で SSB の代わりとして用いら れるが、両側波使用しているため送信電力を多く使う。
2.1.2 SSB 変調
SSB(Single Side Band)とは単側波帯振幅変調のことで、情報を上・下側波帯のどち らか片方の側波帯のみで伝送するもの。短波帯の業務無線やアマチュア無線などで利用 される。 SSB はエネルギー効率が良く、少ない送信電力で伝送できる。また、フェージング の影響を受けにくく、占有周波数帯域が狭いという利点があり、SSB の技術は帯域抑 圧、送信電力削減において有効な技術である。変調時に搬送波と復調に使う搬送波が異 なるため、搬送波の S/N 比が悪いと瞬時的に搬送波の周波数が変化することとなり、 復調時の信号の品質が損なわれることになる。 SSB信号(SSB波)を生成する方法として位相推移法がある。位相推移法とは、ある DSB信号と、搬送波および信号波の位相が 90 度違ったDSB信号を生成し、この 2 つの DSB信号を合成し、SSB信号を得るものである。生成方法として平衡変調器を 2 つ用 いてそれぞれでDSB信号を生成する方法があり、その構成図を図 2-3に示す。この構成 では平衡変調器1 にはそのままの搬送波と信号波が入力されるが、平衡変調器 2 には搬 送波と信号波をそれぞれの位相がπ/2 シフトしたものが入力される。 ここで、信号波と搬送波を、
t
t
Vs
(
)
=
sin
ω
m 式 2-9V
C(
t
)
=
V
csin
ω
Ct
式 2-10 とすると、平衡変調器1 の出力v
1(
t
)
と平衡変調器2 の出力v
2(
t
)
は次のようになる。t
t
V
t
v
1(
)
=
csin
ω
msin
ω
c 式 2-11{
t
t
}
V
m c m c c)
cos(
)
cos(
2
ω
−
ω
−
ω
+
ω
=
式 2-12t
t
V
t
v
2(
)
=
ccos
ω
mcos
ω
c 式 2-13{
t
t
}
V
m c m c c)
cos(
)
cos(
2
ω
−
ω
+
ω
+
ω
=
式 2-14 これらの式より、出力SSB(t)は次式で表される。t
V
t
v
t
v
t
SSB
(
)
=
1(
)
+
2(
)
=
ccos(
ω
c−
ω
m)
式 2-15この式は下側波帯の SSB 波を表わしている。また、 と の差を取ることで上 側波帯から成るSSB 波を得られることがわかる。
)
(
1t
v
v
2(
t
)
図 2-3 位相推移法による SSB 波生成2.2 光 SSB 変調
この節では、光SSB 変調器の原理および構成について説明する。2.2.1 光 SSB の原理
これまで説明してきたSSBを光の領域において適応した変調器を光SSB変調器と呼 び、無変調の光をSSB変調により周波数をシフトして出力する波長変換特性がある。変 調器にバイアスをかけることによって位相変調を行い、バイアスの制御によって搬送波 と両側波帯どちらかを抑圧することができます。(図 2-4) SSB 変調するとき、USB で搬送波、下側波帯を抑圧することを Up conversion、LSB で 搬送波、上側波帯を抑圧することをDown conversion と呼ぶ。図 2-4 光 SSB の原理
2.2.2 光SSBの構成
[5] 光SSB変調器の構成を図 2-5に示す。この光SSB変調器はメインマッハツェンダー干 渉計(MZI)である と上下にあるサブマッハツェンダー干渉計となる と を設けた構成になる。それぞれのサブマッハツェンダー 、 にはDC電極とRF 電極が設けられている。メインマッハツェンダー にはDC電極が設けられている。 CMZ
MZ
AMZ
B AMZ
MZ
B CMZ
入射した光は最初に のY 型分岐で分波され、 と のそれぞれのサブマ ッハツェンダーのY 分岐で分波され、位相変調されて合波される。位相変調された と のサブマッハツェンダーからの出力が合波されて最終的な出力となる構成にな っている。 CMZ
MZ
AMZ
B AMZ
BMZ
図 2-5 光 SSB 変調器の構造 次の図 2-6に示すようにサブマッハツェンダー の位相変調部をそれぞれarm1、 arm2 とし、 の位相変調部をarm3、arm4 とする。搬送波を A
MZ
BMZ
A
cos
ω
t
としそれぞれ のarmに、pt
cos
cos(
pt
+
π
)
（
）
2
cos
pt
+
π
)
2
3
cos(
pt
+
π
の電気信号を与え、位相変調行うと、arm1
cos(
cos
)
2
t
m
pt
A
ω
+
式 2-16 arm2 cos( cos )
2 t m pt
A
ω
−式 2-17 arm3 sin( sin )
2 t m pt
A
ω
−式 2-18 arm4 sin( sin )
2 t m pt
A
ω
+と表わされ、これらを展開すると、 arm1
∑
∞ −∞ = + + n n m t n pt J A )} 2 ( cos{ ) ( 2π
ω
式 2-20 arm2∑
∞ −∞ = + − n n m t n pt J A )} 2 ( cos{ ) ( 2π
ω
式 2-21 arm3∑
∞ −∞ = − n n m np t J A ) sin( ) ( 2ω
式 2-22 arm4∑
∞ −∞ = + n n m np t J A ) sin( ) ( 2ω
式 2-23)
(m
J
n :ベッセル関数 となり、arm1 と arm2 で位相変調された搬送波は合波され、これをV
1(
t
)
とすると、}
)
sin(
)
){sin(
(
[
)
(
1 1t
A
J
m
p
t
p
t
V
=
−
ω
−
+
ω
+
}]
)
3
sin(
)
3
){sin(
(
3m
p
t
p
t
J
−
+
+
+
ω
ω
式 2-24 と表され、arm3 と arm4 の合波されたものをV
2(
t
)
とし、}
)
sin(
)
){sin(
(
[
)
(
1 2t
A
J
m
p
t
p
t
V
=
ω
−
−
ω
+
}]
)
3
sin(
)
3
){sin(
(
3m
p
t
p
t
J
−
−
+
+
ω
ω
式 2-25 ベッセル関数値：J
−4~J
4 で表され、以上より 出力 と 出力 を合波したものを とし、 AMZ
V
1(
t
)
MZ
BV
2(
t
)
V
out(t
)
}
)
3
sin(
)
(
)
sin(
)
(
{
2
)
(
t
A
J
1m
p
t
J
3m
p
t
V
out=
−
ω
+
+
ω
−
式 2-26 の最終的な出力が得られ、図 2-7のようになる。図 2-6 光 SSB 動作原理
第
3章 波長変換システム
この章では、波長変換の方法[6]と、光SSB変調器と組み合わせて使う光干渉計(MZI) について説明する。3.1 波長変換の方法・フィルタ特性
3.1.1 波長変換 (MZI １段)
波長変換の方法について、光SSB変調器は 1 回の通過で変調周波数 分の波長変換 が行われ、任意の波長に変換させるためには、何度が変調器を通過して出力させる必要 がある。そこで、入力光波長によって出力ポートが切り替わるマッハツェンダー干渉計 のフィルタ特性を利用する。波長変換器の構成として mf
図 3-1のようになり、光SSB変調 器とマッハツェンダー干渉計(MZI)を組み合わせた系になる。これが波長変換器の基本 系となる。 波長変換を行う過程として、図 3-1の入力 1 の光は、MZIを通って出力される。この ときの光波長は の状態であり、図3-2 のフィルタ特性では入力 1 から出力２、入力２ から出力1 なので、入力光は出力２へ行き、SSB変調器を通ってシンセサイザ等で設定 した周波数 分シフトする。そして入力 2 からもう一度MZIを通り、次のフィルタ特 性では、 の状態なので、入力2 から出力 2 へ行きもう一度SSBを通り、合わせ て２回分、 分波長シフトする。このときの波長は f mf
mf
f
+
mf
2
f
+
2
f
mなので、MZIの出力 1 を 通り、光が取り出される。 MZI 1 段の基本系では、2 回 SSB 変調器を通り(2 ループ)、Δ
f
=
2
f
mの波長変換が 行われる。取り出された光はSSB 変調器のバイアス電圧により上下側波帯を切り替え ることができ、このどちらかを選んで使うことができる。 図 3-1 波長変換器(1 段)の構成 図 3-2 フィルタ特性3.1.2 2 段 MZI 波長変換器
波長変換器にMZIを 2 つ接続した場合では、図 3-3のような構成になり、2 つMZIを 用いることによって光の波長シフト量が1 段のときよりも変化する。 MZI 2 段の波長変換器は全部で 4 回 SSB 変調器を通過する。1 回の通過で 、 MZI 1 段で 2 回通過、 の波長変換を行うので、2 段では倍である のシフ ト量に拡大する。フィルタ特性について、図のMZI2 は前の 1 段の状態である 分波 長シフトすると出力ポートが切り替わるが、MZI1 は2
/
f
f
m=
Δ
mf
f
=
2
Δ
2Δf f Δ f Δ 2 分波長シフトしたときに出力 ポートが切り替わる。 図 3-3 波長変換器(2 段)の構成3.2 波長変換器の基本系
波長変換器のまとめとして、基本系を図 3-4のように 2 段、3 段とMZIを追加してい くことによって、最終的に出力される波長シフト量が大きくなり、また、これらを直列 に接続して組み合わせることによってさらに波長範囲の拡大が可能である。(図 3-5) 図 3-4 波長変換器の基本系 図 3-5 基本系の直列接続3.3 光 SSB 変調周波数決定
光SSB 変調器に光を通したときの周波数変化量を決める。伝送する信号の強度変調 速度最大5Gbps を考慮し、10GHz の帯域が必要になる。10GHz の帯域を波長に変換 すると0.08nm である。これは強度変調の広がりを表しており、波長シフトする場合に 変調領域の重なりが起こらないように、隣接するチャネルをこれ以上の波長差(波長シ フト量)にする必要がある。これより光 SSB の変調周波数を 12.5GHz とし、シフト前 シフト量は、 の波長を1550nm とした場合、波長 1 1f
c
=
λ
f
=
f
+
Δ
f
1 2 1 1f
c
=
λ
λ
=
λ
+
Δ
λ
1 2 1 2 1 2f
c
f
c −
=
−
λ
λ
1 1f
c
f
f
c
−
Δ
+
=
(
)
f
f
f
f
c
Δ
+
Δ
−
=
1 1f
c
c
c
f
c
f
f
=
Δ
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
Δ
=
Δ
≅
12 2 1 2 1λ
λ
式 3-1 9 8 2 9
10
5
.
12
10
3
)
10
1550
(
⋅
×
×
×
=
−nm
m
0
.
1
10
1
×
−10=
≒
となり、変調領域以上の波長シフト量が得られるのでSSBの変調周波数を 12.5GHzに 設定する。(図 3-6) 波長変換器ではシンセサイザをf
m=12.5GHz にし、MZI1 段(Δ
f
=
2
f
m)では 25GHz で 0.2nm、2 段( )では 50GHz で 0.4nm のシフト量が得られる。100GHz の WDM 伝送において、MZI2 段は半分の周波数、MZI1-段はさらに半分の周波数シフトを行い ます。 mf
f
4
2
Δ
=
図 3-6 変調周波数と周波数シフト
3.4 光干渉計の設計
光干渉計について微動台を用いて図 3-7のような干渉計を設計する。MZI１段の状態 では、周波数 25GHzのシフトで出力ポートが切り替わるようにするために、光の到達 時間差を作る。SSB変調器の変調周波数が 12.5GHzなので光の到達時間差は、τ
π
ω
=
τ
π
π
f
=
2
τ
πτ
π
2
1
2
=
=
f
式 3-2
GHz
f
12
.
5
2
1 =
=
τ
910
5
.
12
2
1
×
×
=
τ
ps
40
=
τ
になり、干渉計で設計する光路差の距離は、τ
=
Δ
c
L
c
L
=
⋅
Δ
τ
式 3-3
mm
m 12
012
.
0
10
3
10
40
×
12⋅
×
8=
=
=
−=
τ
光の到達時間差
となり、この長さになるように微動台を調節する。微動台の調整法として、光路差を設けるため反射鏡2 の位置を適度な場所に配置し、 入力1、出力 1 をつないだ状態で、スプリッタ 1 から分波されたルート A、ルート B の 光を出力1 の光ファイバに入光させる。基本的な調整として可視光で入出力側それぞれ でファイバに通過するように光路を調整する。細かな調整としてはルート B の光は反 射鏡2、出力 1 の微動台のみ、ルート A は反射鏡 1、スプリッタ 2 のみを調節し、それ ぞれパワーメータで各ルートの光出力が最大及び同じ値になるように調節する。このと きに第 5 章の特性測定で説明するフィルタ特性の測定を行い、フィルタ周期が 0.2nm になるように反射鏡2 の配置を変えて第 1 段階の工程を繰り返す。次に光路差が設定さ れている状態で出力2 の微動台を設け、2 つのルートの光を調整する。最後に入力 2 の 微動台を設け、入力光を入力2 として出力 1、出力 2 に光が通るように調節をする。 最終確認として、入力1、入力 2 それぞれの入力光に対する出力 1、出力 2 の各ルー トの光出力が最大及び同じ値になっているかを確認する。
3.5 PLC 型 MZI
MZI2 段では、この干渉計に加えもう一つ干渉計を用いるが、2 つ目の干渉計は図 3-8
のようなPLC-MZIを用いる。この干渉計は導波路型のマッハツェンダー干渉計で、本
研究では出力ポートが切り替わる周波数間隔を 50GHzのMZIを用いる。このMZIは温 度制御や電圧によってフィルタ特性の波長が変化する特性を持っている。
PLC(Planar Lightwave Circuit)とは、LSI と同じ薄膜形成で微細加工を施して作製
される石英ガラス導波路で構成される光回路のことで、スプリッタやWDM 用の波長 合分波器などに実用化されている。MZI の構造を基本として導波路上の薄膜ヒータで 導波路を加熱することで波長が変化し、出力ポートが切り替わる。 このPLC-MZI には温度制御するためのサーミスタやペルチェ素子が用いられている。 サーミスタ(hermistor）は半導体の温度が上昇すると抵抗値が下がるという特徴を利用 した温度センサであり、自身の周囲の温度変化に対して抵抗値を変える素子である。サ ーミスタは、温度センサとして冷蔵庫やエアコンなどの家電製品などに用いられている。 ペルチェ素子は異なる2 枚の金属板で構成される冷却効果を持った半導体素子である。 この2 枚の金属板の接合部分にバイアスを加えると片側の温度が下がり、もう一方の温 度が上がる。ペルチェ素子はこういった金属板の一方が放熱し、もう一方が吸熱すると いうペルチェ効果を利用している。半導体レーザの温度制御に用いる場合は、半導体レ ーザに直接触れて放熱と吸熱の動作を繰り返し行うことによって半導体レーザの温度 を一定に保ち、波長を制御する役割を行っている。 図 3-8 PLC-MZI
第
4章
実験機材の概要
この章では、光変調、波長変換の実験系や特性測定に用いる光部品について説明する。4.1 光変調
光ファイバを用いた通信を実現するには、音声や画像の情報の電気信号を光信号に変換 させる必要がある。これを光変調と呼ぶ。この光変調には、大きく分けて、図 4-1[1] の半導体レーザ(laser diode :LD）などの光源の光を直接強度変調を行う直接変調方式 と、図 4-1[2]の光源からの出力光に対し、別に用いられた変調器により外部から変調を 行う外部変調方式の２つがある。 電気信号を光信号に変換する方法には大きく分けて2 通りある。 直接変調方式は構成が簡単であり、小型化できるという利点を持ち、広く用いられ ているが、数GHz 以上の高周波になると半導体レーザの持つチャーピングにより、伝 送速度に制限ができてしまう。チャーピングとは、半導体レーザの変調時に瞬時的なキ ャリアの変動によって活性層の屈折率が変化して光の波長が変わる現象である。一方の 外部変調器の場合では、半導体レーザからの安定光に対し電気光学効果などで変調を行 うためチャーピングの問題がなく、高速で長距離の伝送が可能である。 外部からの光に対して制御を加える方法として、主に電気光学効果(Electrooptic Effect :EOE)、音響光学効果（Acoustooptic Effect :AOE）、熱光学効果(Thermooptic Effect :TOE)、磁気光学効果(Magnetooptic Effect :MOE)などがある。電気光学効果による光制御では、後に説明する (LN)に代表されるような強誘
電体結晶を用い、LiNbO3 結晶は大きな電気光学定数をもっているため光変調器の基盤 としてよく利用される。
3
LiNbO
4.1.1 LN変調器
[7] LN 変調器とは 、ニオブ酸リチウムもしくはリチウムナイオベートと呼ばれ、 大きな電気光学定数を持ち、通信波長帯で低損失な光導波路を形成することができる。 光スイッチや電界センサなどの電気光学効果を利用した多くの光デバイスに利用され ている。 3LiNbO
LN 変調器は１次の電気光学効果であるポッケルス効果を用いた屈折率変化によって 光変調を行うデバイスで、電気光学効果の応答速度は非常に早く、高速なスイッチング 応答が可能である。LN 変調器には位相変調・強度変調・偏波変調の各動作があり、そ の中で２つの位相変調器を組み合わせたマッハツェンダー型にすることによって、強度 変調器を構成する。マッハツェンダー型は光を２つの導波路に分岐させて、再び２つの 光が合流するときの干渉条件によって光のon・off を行う光強度変調器で、光の導波路 上にある電極に位相差を発生させるように電圧を加えることで光が合流するときの干 渉条件を変えることで光のパワーを変化させることができる。 マッハツェンダー型の基本構造として図 4-2のようにLN変調基板上に２つの導波路 と分岐して合流するときのY分岐があり、電圧を加えるための電極によって構成されて いる。入射した入射光はY分岐にて分波され、分かれた光はそれぞれ直進光と変調され る光に分かれる。導波路1 の光はそのまま進み、導波路 2 では光が位相変調されて、再 びY分岐にて上下両アームの光が合波されることで強度変調された光が出力される。こ のとき下側のアームでは電極が設けられており、電極から導波路にバイアスかけると、 電気工学効果によって位相変化が起こる。この位相変化が導波路1 の光と逆位相となる 場合、後段のY型導波路で合波されると、2 つの光が打ち消し合って光が出力されなく なる。このとき加えた電圧を半波長電圧V
πと呼ぶ。 LN変調器の特性は図 4-3のような変調曲線となり、駆動電圧を minP
とP
maxの間で変 化させることにより強度変調を行う。この２つの電位差はπ
シフト電圧と呼ばれ、 で 表す。 と の中間値を πV
min max BP
P
V
とし、これは変調器の動作点になっており、この動作 点を中心に電気信号を加えると、電気光学効果によって光デジタル信号に変換され、効 率よく出力されます． このとき加えたバイアス電圧は、温度や経時によって変化していき、変調曲線が時間 とともに横軸方向に移動するという、熱ドリフトやDC ドリフトと呼ばれる現象がある。図 4-2 LN 変調器の構造
4.2 フォトダイオード
フォトダイオード(PD)を組み込んだ出力回路として受光素子で送信側からの光信号 を電気信号に変換し、それを効率よく出力する。受光素子は逆バイアスで行い、光出力 に比例して光電流が受光素子に流れる。受信回路は受信する電力の大きさによって信号 対雑音比(SN比)は変化する。実際の受信回路で受信信号の信号対雑音比を確保すること は重要であり、信号対雑音比は対数表現のdBで表し、S/Nが大きいほど通信品質が良好 であることを示している。ノイズの発生する要因として、フォトダイオードなどの光検 出器上に光学的な放射を入射させずに動作電圧(逆バイアス)を電極に印加したとき、き わめて微弱な電流が流れるようになる。これを暗電流と呼ぶ。これは電極に印加する電 圧を上昇させて、一定の電圧を越えると電極に印加する電圧に関わらず一定の電流が流 れるようになる。またさらに電圧を大きくしていくと、ある部分から急激に逆電流が増 加する。この電圧をブレークダウン電圧 といい、 以上逆バイアスを加えると、ダ イオードが破壊に至ることがある。フォトダイオードのV-I特性を BV
V
B 図 4-4に示す。 図 4-4 PD V-I 特性 本研究では図 4-5に示す 10Gbps用のPDプリアンプモジュール(PDPRE)を用い、実 験や干渉計の測定に用いる。これは受光素子であるフォトダイオードと 変換増幅 器であるプリアンプICを主として構成される光受信用モジュールである。V
I
−
図 4-5 PDPRE 受信回路
4.3 光増幅器
光ファイバを伝搬中に光のパワーが減衰し、受信端では光検出器の感度限界に近い微 弱な光になっている。これに加えて本実験においても、光干渉計やSSB 変換効率の特 性で光が減衰するため、受信端の手前で光を増幅させる必要がある。これにより光ファ イバ増幅器を実験系に組み込んで用いる。 光増幅器の原理としては反転分布における誘導放出であり、これが生じると，入射光 子数よりも出射光子数のほうが多くなり、光が増幅されるのである。光増幅器はレーザ構 造における光の共振器部分を除去して，増幅過程のみを利用するものである。この中で光 ファイバ増幅器は光ファイバのコア部にエルビウム などの希土類イオンをドープし た増幅器である。この増幅器の中でもエルビウムドープ光ファイバ増幅器(ErbiumDoped Fiber Amplifier :EDFA)は光ファイバの低損失域である波長 1550nm 帯を増幅
域として、高利得、広帯域、低雑音などの特徴を持っている。EDFA で増幅された信号
光は増幅された信号に加えて、広帯域なスペクトルが付加される。これは、自然放出光 の一部が光ファイバの基本モードに結合し、さらに誘導放出による増幅を受けたもので ASE(Amplified Spontaneous Emission)雑音と呼び、光増幅器では一般的にこの ASE 雑音が主な雑音要因となる。
r
E
第
5章 光波長変換測定
この章では波長変換の実験結果について述べる。5.1 特性測定
この節では光 SSB 変調器の基本特性、変換効率について測定を行ったのでその結果 について述べる。5.1.1 光 SSB 変調特性
本研究にて波長変換に用いる光SSB変調器の基本特性を測定するために図 5-1の実 験系で測定を行った。光源の発振波長1550nmを使用し、シンセサイザからは信号周波 数12.5GHz、アンプの出力Vp-p=10Vの正弦波信号で光SSB変調を行った。光SSB変調 を行い、上側波帯(USB)と下側波帯(LSB)をそれぞれ発生させた場合の周波数スペクト ルが図 5-2となった。また、シンセサイザからの出力を無くした状態がRF offである。 光SSB変調するとき、USBで搬送波、下側波帯を抑圧する場合をUp conversionとし、LSB で搬送波、上側波帯を抑圧することをDown conversion としたとき、up conversionでUSB を発生させた状態において搬送波抑圧は19dB、下側波帯抑圧は 27dBであった。down conversionでLSBを発生させた状態においては搬送波抑圧は 20dB、上側波帯抑圧は 29dBであった。この結果より波長変換に適した良好なデータであると言える。Up conversionとdown conversionでUSBとLSBはそれぞれ搬送波から 12.5GHzの周波数 で波長にして0.1nm程度波長シフトしていることが図で分かる。 図 5-1 SSB 基本特性実験系図 5-2 光SSB 基本特性
5.1.2 SSB 変換効率
次に、強度変調した搬送波を光SSBで変調し、光SSBの変換効率を求めるために図 5-3の構成にて測定を行った。光源とシンセサイザはSSB基本特性と同じ設定とし、PPG から 1Gbpsの信号で強度変調を行った。PPGから出た信号のアンプ出力は 14Vp-pで、 と同じ値にしてLN変調器を動作させる。この構成にて光SSB変換前のスペクトルと 変換後(USB)のスペクトルを測定したものが BV
図 5-4となる。変換前と変換後の光出力の ピーク値を比べてみると、変換前が-3.6dBmであったのに対して、変換後が-25.3dBm となった。よって光SSB変調における変換損失は 21.7dBであることがわかる。 図 5-3 変換効率測定系図 5-4 光SSB 変換効率
5.1.3 光干渉計
次に3 章の 3.4 節で微動台で設計した光干渉計のフィルタ特性を図 5-5 のような測定 系で実験を行った。光源の波長は1550nm とした。LN で強度変調し、MZI から出力 された光を光スペクトルアナライザで測定を行った。もう一方の光は、MZI の精度を 上げるため、電気特性を行った。PD で電気的特性に変換され、周波数に対する振幅の 変化をネットワークアナライザで測定を行った。スペクトル測定の結果としては図5-6 のようになり、フィルタ周期は25GHz で 0.2nm なので、測定したフィルタ周期はこの 値にほぼ近い値となっている。電気測定(図 5-7)では変調周波数は 12.5GHz で設定して いるので、この周波数付近でパワーが落ちているのがわかる。 図5-5 MZI フィルタ特性測定系図 5-6 MZI フィルタ特性
次にPLC-MZI のフィルタ特性と温度制御や電圧による波長変化の特性を測定するた めに図5-8 のような測定系で実験を行った。光源からの光を MZI に通したとき、何も 制御を行っていない状態(室温 23℃)、温度制御をかけた状態、電圧を印加したときの状 態、温度・電圧両方制御した状態のときのスペクトルを測定した。このとき温度制御 28℃、加える電圧を 10V とした。結果として測定したスペクトルを図 5-9 に示す。そ れぞれ PLC-MZI に制御をかけた光は制御を行っていないときのフィルタ特性と比べ、 波長が変化しているのがわかる。 図 5-8 PLC-MZI 特性測定系 図 5-9 PLC-MZI フィルタ特性と制御
5.1.4 誤り率特性
次にLN 変調器により強度変調された信号の誤り率特性の測定系を図 5-10 に示す。 PPG からの信号の変調速度を 1~3Gbps と変化させたときのアイパターンと誤り率特性 を図5-11、図 5-12 に示す。
図5-11 1～3Gbps 時のアイパターン
5.2 波長変換測定
この節では本研究である波長変換器を用いた測定結果について述べる。5.2.1 実験系・測定方法
波長変換器基本系のユニットを組んだ構成は図 5-13(MZI-1 段)、図 5-14(MZI-2 段) のようになる。シンセサイザの信号周波数を12.5GHz とし、光源には可変波長レーザ ー1550nm を用いる。PPG から出力された信号を LN 変調器で強度変調し、光信号が MZI を通り、波長変換を行う。MZI-1 段とき 2 度、MZI-2 段は 4 度光 SSB 変調器を通 過し波長変換を行う。このときMZI-2 段で用いる PLC-MZI(MZI-2)で、温度制御や電 圧で一方のMZI-1 とフィルタ周期を合わせる。MZI-1、2 段のそれぞれの波長変換のス ペクトルを測定し、そして1Gbps 及び 3Gbp 時の誤り率の測定を行った。図5-13 MZI-1 段 実験系
5.2.2 測定結果
測定結果として波長変換後のスペクトルを図 5-15 に示す。また 1Gbps 及び 3Gbps のそれぞれMZI を通過した波形を図 5-16 に示す。 波長変換のスペクトルにおいて、MZI に入力したときのスペクトルのピークの波長に 比べると、MZI-1,2 段のときのピークの波長がそれぞれ 0.2nm、0.4nm 波長がシフト しているのがわかる。MZI-2 段のスペクトルのピークが他のスペクトルのピークと比べ、 光出力が下がっており、これは2 つ MZI の通過しない出力ポートから光が漏れ、その 分の光増幅の利得が得られなかったためだと考える。信号波形においてはMZI の光フ ィルタ狭窄化によりMZI-1、2 段とも 3Gbps で信号劣化が生じていたが 2 段の場合、 利得が得られなかったためアイパターンの振幅が下がっていた。 用いた部品の光損失はPC(偏波コントローラ)3 つはそれぞれ 0.5dBm、MZI-1、MZI-2 はそれぞれ0.4dBm、0.3dBm であった。光 SSB 変調器後の光増幅器の利得は 32dBm であった。 図 5-15 波長変換スペクトル第
6章 結論
本論文において波長範囲の適用に関しての研究成果を述べた。以下に本研究で明らか にしたことを示す。 光 SSB の基本特性から波長変換器 MZI1 段、MZI2 段の状態で入力波長の 2 倍、4 倍の波長変換をすることができた。 波長変換器の光フィルタ狭窄化によって信号劣化が生じ、3Gbps までの波長変換が可 能だった。 周辺機器等の影響(振動や音)により MZI が不安定のため誤り率特性から定量的な数 値を出すことが困難であり、波長変換における適用範囲を明確化することはできない状 態であった。謝辞
本研究を進めるにあたり、高知工科大学工学部 電子・光システム工学科 岩下克教 授には多くのご指導と助言を頂き深く感謝の意を表します。 また、同研究室の先輩方である恒安宏一氏、多木勝彦氏、島村卓嗣氏、渡部隆寛氏、 中妻宏太氏、速水佑治氏には日頃から多くの助言を頂き心から感謝を申し上げます。 そして、非常に良い環境で研究を行うことができたことをお世話になった皆様に心か ら感謝の意を表します。 2008 年 2 月 島田 泰樹参考文献
[1] 日隈薫他,
LiNbO
3光周波数シフタ/SSB 変調器の応用検討,住友大阪セメント, テクニカルレポート,2003 年度版[2] 「高非線形ファイバを用いた四光波混合器によるWDM 信号の広帯域波長変換」 武田 鎮一 他,
電子情報通信学会技術研究報告,光通信システム,Technical report of IEICE. OCS Vol.97, No.408(19971128) pp. 19-24
[3] 「高非線形性分散シフトファイバと波長変換への応用」大西 正志他, 電子情報通信学会ソサイエティ大会講演論文集
Proceedings of the Society Conference of IEICE
Vol.1997 年.エレクトロニクス, No.1(19970813) p. 186 [4] 無線通信機器,提坂秀樹 大庭英雄 共著,日本理工出版会 [5] X cut LN SSB-SC 変調器/X cut LN FSK 変調器の商品紹介 住友大阪セメント株式会社,光電子事業部,商品開発部 [6] 光 SSB 変調によるディジタル型波長変換技術 高知工科大学 岩下 克 [7]
![図 2-4 光 SSB の原理 2.2.2 光SSBの構成 [5] 光 SSB変調器の構成を図 2-5に示す。この光SSB変調器はメインマッハツェンダー干 渉計 (MZI)である と上下にあるサブマッハツェンダー干渉計となる と を設けた構成になる。それぞれのサブマッハツェンダー 、 には DC電極とRF 電極が設けられている。メインマッハツェンダー には DC電極が設けられている。 CMZMZAMZBAMZMZB CMZ 入射した光は最初に の Y 型分岐で分波され、 と のそれぞれのサブマ ッハ](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123deta/5970386.574120/11.892.134.774.163.618/メインマッハツェンダーメインマッハツェンダー.webp)
