早稲田大学大学院 基幹理工学研究科
博 士 論 文 概 要
論 文 題 目
Study on All-Optical Signal Processing by Semiconductor Optical Amplifiers for
Ultra-High-Speed Optical Fiber Communications
半導体光増幅器を用いた超高速光ファイバ 通信用全光信号処理技術に関する研究
申 請 者
Munefumi TSURUSAWA
つるさわ
鶴澤
むねふみ
宗文
2010年7月
本 論 文 は 超 高 速 光 フ ァ イ バ ー 通 信 技 術 を 実 現 す る た め の 全 光 信 号 処 理 技 術 に 関 す る 研 究 成 果 を 詳 述 し た 技 術 論 文 で あ る 。導 波 路 型 半 導 体 光 デ バ イ ス に よ る 全 光 信 号 処 理 技 術 の 実 現 の た め 、新 た な 手 法 を 提 案 す る と 共 に そ の 有 効 性 を 実 験 的 に 実 証 し た 。
光 フ ァ イ バ ー 通 信 技 術 は 送 受 信 装 置 に お け る エ レ ク ト ロ ニ ク ス 技 術 と 光 フ ァ イ バ ー の 製 造 技 術 の 進 歩 に よ り 、高 速・ 大 容 量 化 を 実 現 す る と 共 に 世 界 的 な 普 及 に よ る 低 コ ス ト 化 も 進 展 し た 。ま た 光 増 幅 技 術 の 出 現 に よ り 電 気 的 処 理 に よ る 再 生 中 継 が 困 難 な ビ ッ ト レ ー ト に お い て も 光 信 号 の 増 幅 が 可 能 に な り 伝 送 距 離 の 延 伸 が 実 現 さ れ た 。し か し な が ら 光 増 幅 器 で 増 幅 を 受 け る 際 に 光 信 号 に 累 積 す る 自 然 放 出 光 ノ イ ズ に 起 因 す る 光 強 度 の ば ら つ き や ジ ッ タ・ワ ン ダ 特 性 の 劣 化 は １ 波 長 当 た り 数 十 Gbit/s を 超 え る ビ ッ ト レ ー ト に お い て は 光 フ ァ イ バ ー 通 信 シ ス テ ム の 性 能 、特 に 受 信 性 能 に 多 大 な 影 響 を 与 え る こ と が 解 っ て い る 。従 っ て 更 な る 高 速 化 ・ 長 距 離 化 の た め に は 、光 の 波 形 や 重 畳 ノ イ ズ 分 布 な ど の 光 信 号 の 様 々 な 品 質 決 定 因 子 を 光 の 状 態 で 超 高 速 に 再 生 す る 技 術 の 実 現 が 必 要 不 可 欠 で あ り 、 半 導 体 や 光 フ ァ イ バ ー の 非 線 形 性 を 利 用 し た 様 々 な 手 法 が 提 案 さ れ て い る 。
本 論 文 で は 、１ 波 長 当 た り 数 十 Gbit/sの 通 信 速 度 を 実 現 す る た め に 必 要 な 半 導 体 光 デ バ イ ス の 応 答 速 度 の 高 速 化 に つ い て 、信 号 光 以 外 の 連 続 光 を 注 入 す る こ と に よ る 半 導 体 光 デ バ イ ス の 非 線 形 応 答 速 度 の 高 速 化 手 法 を 新 た に 提 案 し た 。導 波 路 型 半 導 体 光 増 幅 器 が 光 信 号 に 対 し て 持 つ 非 線 形 光 入 出 力 特 性 と 、提 案 す る 高 速 化 手 法 の 組 合 せ に よ る 可 飽 和 吸 収 動 作 に よ る 光 ノ イ ズ 除 去 技 術 、偏 光 ス イ ッ チ 動 作 に よ る 光 3R 再 生 技 術 お よ び 波 長 変 換 技 術 、 並 び に 偏 光 ス イ ッ チ 動 作 に よ る 時 分 割 多 重 信 号 の 光 領 域 で の 高 速 分 離 技 術 な ど へ の 応 用 を 試 み て 、 最 大 80 Gbit/s の 繰 り 返 し 速 度 に お い て 提 案 手 法 の 有 効 性 を 実 験 的 に 実 証 し た 。本 論 文 は 以 下 の よ う に 六 つ の 章 か ら 構 成 さ れ る 。
第 一 章 で は 光 フ ァ イ バ ー 通 信 技 術 の 進 展 と 現 状 に つ い て 概 観 し 、Ｉ Ｐ 時 代 に お い て も バ ッ ク ボ ー ン に お い て 重 要 な 役 割 を 担 う 超 高 速 光 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク に お け る 全 光 信 号 再 生 技 術 の 重 要 性 と 本 研 究 の 意 義 に つ い て 述 べ た 。ま た 光 ネ ッ ト ワ ー ク に お け る 中 継 ノ ー ド で は 光 ト ラ ン ス ポ ン ダ ー に お け る 光 − 電 気 − 光（O/E/O）
変 換 に よ っ て ３ つ の 重 要 な 機 能 、具 体 的 に は「 波 長 変 換 」「 波 形 整 形 」「 信 号 品 質 モ ニ タ 」 が 実 現 さ れ 、 ネ ッ ト ワ ー ク の 拡 張 性 、 光 信 号 の 到 達 性 、 ネ ッ ト ワ ー ク の 運 用 管 理 機 能 を 提 供 し て い る 。し か し な が ら １ 波 長 あ た り 数 十 Gbit/s 以 上 の 繰 り 返 し 速 度 に な る 次 世 代 の 光 ネ ッ ト ワ ー ク で は 、当 該 繰 り 返 し 速 度 に お け る O/E/O 変 換 機 能 の 実 現 及 び 複 数 中 継 ノ ー ド に お け る 多 波 長 化 対 応 は 、実 装 コ ス ト や 消 費 電 力 な ど 多 く の 課 題 が あ る 。そ こ で 、光 ト ラ ン ス ポ ン ダ ー が 提 供 す る ３ つ の 機 能
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を 電 気 に 変 換 す る こ と な く 提 供 す る 、す な わ ち 全 光 信 号 処 理 技 術 に よ っ て O/E/O が 提 供 す る べ き 機 能 を 光 領 域 で 実 現 す る た め の 研 究 が 行 わ れ て き た 。本 章 で は 全 光 信 号 処 理 で 実 現 可 能 な 各 技 術 を 概 説 し 、 全 光 再 生 技 術 で あ る 2R (Re-shaping, Re-amplifying)技 術 並 び に 3R (2R + Re-timing)技 術 の 概 念 と 実 現 方 法 に つ い て 概 説 し た 。ま た 本 論 文 の 各 章 に お い て 実 験 の 中 心 的 な 役 割 を 果 た す 半 導 体 光 増 幅 器 の 特 徴 と 性 能 に つ い て 述 べ 、合 わ せ て 既 発 表 の 研 究 を 概 観 し て 本 研 究 の 意 義 と 独 自 性 に つ い て 述 べ た 。更 に 詳 述 す る 全 光 信 号 処 理 技 術 の 応 用 例 で あ る 、光 領 域 で の ビ ッ ト レ ー ト 可 変 波 長 変 換 技 術 と 時 分 割 多 重 光 信 号 の 光 デ マ ル チ プ レ ク ス 技 術 の 有 用 性 に つ い て 述 べ た 。最 後 に 第 二 章 以 降 で 述 べ る 研 究 内 容 と 本 論 文 の 構 成 に つ い て 述 べ た 。
第 二 章 で は 光 2R 再 生 技 術 に つ い て 、 導 波 路 型 半 導 体 光 増 幅 器 の 吸 収 波 長 領 域 を 利 用 し た 可 飽 和 吸 収 素 子 の 研 究 に つ い て 詳 述 し た 。可 飽 和 吸 収 素 子 に よ る 光 信 号 中 の 光 雑 音 抑 制 効 果 は そ の 非 線 形 入 出 力 特 性 に よ っ て 実 現 さ れ る が 、素 子 の 非 線 形 入 出 力 特 性 を 決 定 す る 各 デ バ イ ス パ ラ メ ー タ に つ い て 、数 値 計 算 に よ っ て 可 飽 和 吸 収 素 子 に よ る 雑 音 抑 制 の 可 能 性 を 示 す と 共 に 、効 果 を 最 大 化 す る た め の 素 子 設 計 方 針 と 雑 音 抑 制 効 果 に よ る 光 信 号 品 質 に つ い て 定 量 的 に 示 し た 。ま た 可 飽 和 吸 収 素 子 の 高 速 繰 り 返 し の 光 信 号 に 対 す る 動 作 可 能 速 度 は そ の 吸 収 回 復 時 間 で 制 限 さ れ る た め 、10 Gbit/s以 上 の 繰 り 返 し 速 度 で 利 用 可 能 に す る た め に は 、通 常 で は 数 ナ ノ 秒 を 要 す る 半 導 体 光 素 子 の 吸 収 回 復 時 間 を ピ コ 秒 オ ー ダ ー ま で 高 速 化 す る 必 要 が あ る 。こ こ で は 吸 収 回 復 時 間 高 速 化 の た め の 提 案 手 法 で あ る 、光 信 号 以 外 の 連 続 光 を 注 入 す る こ と に よ る 誘 導 放 出 現 象 を 用 い た 吸 収 回 復 時 間 の 高 速 化 に つ い て そ の 原 理 と 基 本 検 証 実 験 の 結 果 を 述 べ 、提 案 手 法 を 用 い た 可 飽 和 吸 収 素 子 に よ り 5 Gbit/s、10 Gbit/sの 繰 り 返 し 速 度 に お け る 検 証 結 果 を 示 し た 。 特 に 10 Gbit/s の 繰 り 返 し 速 度 に お け る 雑 音 抑 制 効 果 の 検 証 で は 、 符 号 誤 り 率 試 験 に お い て 2.5 dB の 受 信 機 感 度 改 善 効 果 、0.5 dBの 消 光 比 改 善 、 並 び に 0.8 dB の 信 号 雑 音 比 の 改 善 効 果 を 得 た 。
第 三 章 で は 光 3R 再 生 技 術 に つ い て 述 べ た 。 前 述 の 光 通 信 の た め の 信 号 光 以 外 に 連 続 光 を デ バ イ ス に 注 入 す る 独 自 の 手 法 を 適 用 し 、導 波 路 型 半 導 体 光 増 幅 器 の 利 得 波 長 領 域 に お い て 利 得 回 復 時 間 の 高 速 化 を 図 っ た 実 験 結 果 を 示 す 。こ こ で は 光 注 入 に よ る 利 得 減 衰 を 1 dB 以 下 に 抑 え な が ら 、 通 常 は １ ナ ノ 秒 程 度 を 要 す る 半 導 体 光 増 幅 器 の 利 得 回 復 時 間 が ４ ０ ピ コ 秒 ま で 高 速 化 し た 。ま た 本 章 で は 光 3R 技 術 を 実 現 す る た め に 必 要 と な る 光 ゲ ー ト 機 能 素 子 を 具 現 化 す る 手 法 の １ つ と し て 、非 線 形 干 渉 型 ス イ ッ チ の 簡 便 な 構 成 方 法 を 新 た に 提 案 し 、前 述 の 提 案 手 法 と 組 み 合 わ せ た 超 高 速 偏 光 分 離 型 非 線 形 干 渉 ス イ ッ チ を 40 Gbit/s、 80 Gbit/s の 繰 り 返 し 速 度 に お い て 検 証 し た 。半 導 体 光 増 幅 器 の 利 得 回 復 時 間 に 制 限 さ れ る 、
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高 速 繰 り 返 し 動 作 に お け る ワ ー ド パ タ ー ン 効 果 を 極 力 抑 え な が ら 、更 に 高 速 な 利 得 回 復 が も た ら す 制 御 信 号 の 低 電 力 化 を 実 証 し た 。40 Gbit/s の 繰 返 し 速 度 に お い て 、 -3 dBm の 制 御 信 号 光 入 力 パ ワ ー に お い て 2.3 dB の 受 信 機 感 度 改 善 を 確 認 し た 。 ま た 80 Gbit/s の 繰 り 返 し 速 度 に お い て 8 dB の 受 信 機 感 度 劣 化 な が ら も エ ラ ー フ リ ー 動 作 を 実 現 し た 。
第 四 章 で は 、第 三 章 で 提 案 し た 超 高 速 偏 光 分 離 型 非 線 形 干 渉 ス イ ッ チ に よ る 光 3R 技 術 に つ い て 、実 用 上 の 動 作 条 件 許 容 度 の 評 価 検 証 を 行 っ た 。こ こ で は 超 高 速 非 線 形 偏 光 ス イ ッ チ シ ス テ ム の 構 成 パ ラ メ ー タ 、例 え ば 偏 光 分 離 時 間 な ど の 変 更 に 対 す る 光 信 号 再 生 能 力 の マ ー ジ ン 評 価 と 、固 定 パ ラ メ ー タ で 構 成 し た 超 高 速 非 線 形 偏 光 ス イ ッ チ に 入 力 す る 光 信 号 の 光 信 号 雑 音 比 等 の 性 能 劣 化 度 合 い を 変 化 さ せ た 場 合 の 光 信 号 再 生 能 力 の 評 価 を 実 験 的 に 検 証 し た 。 40 Gbit/s の 繰 り 返 し 速 度 に お い て 、 受 信 機 感 度 劣 化 1 dB 以 下 の 範 囲 に お い て 、 約 4 dB の 入 力 信 号 光 の パ ワ ー 変 動 下 で も エ ラ ー フ リ ー 動 作 が 可 能 で あ る こ と を 示 し た 。ま た 入 力 光 信 号 の タ イ ミ ン グ ジ ッ タ に 対 す る 許 容 度 に 関 し て 、 8.5 ピ コ 秒 の ジ ッ タ を 与 え た 光 信 号 の タ イ ミ ン グ も 訂 正 可 能 で あ る こ と を 示 し た 。更 に 実 ネ ッ ト ワ ー ク で の 適 用 上 有 用 と 思 わ れ る ビ ッ ト レ ー ト 可 変 の 波 長 変 換 機 能 に つ い て 、超 高 速 偏 光 分 離 型 非 線 形 干 渉 ス イ ッ チ の 構 成 要 素 に 可 動 ミ ラ ー を 用 い た ビ ッ ト レ ー ト 可 変 型 の 超 高 速 偏 光 分 離 型 非 線 形 干 渉 ス イ ッ チ を 提 案 し 、 10 Gbit/s、 40 Gbit/s 並 び に 80 Gbit/s の 繰 り 返 し 速 度 に お い て エ ラ ー フ リ ー 動 作 を 保 証 し な が ら 波 長 変 換 可 能 な こ と を 実 験 的 に 検 証 し 、 そ の 有 用 性 を 示 し た 。
第 五 章 で は 超 高 速 偏 光 分 離 型 非 線 形 干 渉 ス イ ッ チ の 応 用 と し て 考 案 し た 、時 分 割 多 重 さ れ た 光 信 号 を 光 領 域 で 2 チ ャ ン ネ ル に 分 離 す る 手 法 に つ い て 原 理 を 示 し 、 20 Gbit/s 信 号 か ら 2 x 10 Gbit/s を 、 40 Gbit/s 信 号 か ら 2 x 20 Gbit/s 信 号 を 、 そ し て 80 Gbit/s 信 号 か ら 2 x 40 Gbit/s 信 号 を 光 領 域 で 同 時 抽 出 す る 検 証 実 験 を 行 っ た 。40 Gbit/s 信 号 か ら の 信 号 分 離 実 験 で は 0.5 dB の 受 信 機 感 度 劣 化 、 80 Gbit/s 信 号 か ら の 信 号 分 離 実 験 で は 1.0 dB の 受 信 機 感 度 劣 化 が 確 認 さ れ た が 、 全 チ ャ ン ネ ル の エ ラ ー フ リ ー 動 作 を 確 認 し 、本 提 案 方 式 の 実 シ ス テ ム に お け る 有 用 性 を 示 し た 。
最 終 章 、 第 六 章 に お い て 、 半 導 体 光 増 幅 器 を 用 い た 全 光 信 号 処 理 技 術 、 並 び に 独 自 の 提 案 方 式 に よ る 可 飽 和 吸 収 素 子 の 2R 機 能 動 作 、 偏 光 分 離 型 非 線 形 光 ス イ ッ チ に よ る 波 長 変 換 、3R 機 能 動 作 、並 び に 時 分 割 多 重 信 号 か ら の 全 光 信 号 抽 出 技 術 の 有 用 性 を 総 括 し 、将 来 の 超 高 速 光 フ ァ イ バ 通 信 技 術 の 実 現 の 可 能 性 を 示 し た 。
Ｎｏ.１
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
氏 名 鶴澤 宗文 印
（２０１０年 ７月 現在）
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
論文 論文 レター 論文 レター
○題名：New Method for Reduction of Carrier Lifetime in Semiconductor Optical Amplifier using Assist Light
掲載誌名：Japanese Journal of Applied Physics, Vol.38 pp.1265-1268 発行年月：1999年2月
連名者：M. Tsurusawa, M. Usami and Y. Matsushima
○題名：Demonstration of Optical Noise Reduction Using Nonlinear Absorption in a Semiconductor Laser Amplifier
掲載誌名：IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.5 No.3 pp.861-865
発行年月：1999年6月
連名者：M. Tsurusawa, M. Usami and Y. Matsushima
○題名：First Demonstration of Simultaneous Demultiplexing from 40 Gbit/s into Two Channels of 20 Gbit/s by SOA-based All-Optical Polarization Switch 掲載誌名：IEE Electronics Letters, Vol.37 No.23, pp.1398-1399
発行年月：2001年11月
連名者：M. Tsurusawa, K. Nishimura and M. Usami
○題名：First Demonstration of Pattern Effect Reduction in 40 Gb/s Semiconductor Optical Amplifier Based All-Optical Switch Utilizing Transparent CW Assist Light
掲載誌名：Japanese Journal of Applied Physics, Vol.41 pp.1199-1202 発行年月：2002年2月
連名者：M. Tsurusawa, K. Nishimura and M. Usami
○題名： Novel Mechanism for Reducing Recovery Time of Optical Nonlinearity in Semiconductor Laser Amplifier Using Assist Light
掲載誌名：Applied Physics Letters, vol.72,21 2657〜2659 発行年月：1997年5月
連名者：M. Usami, M. Tsurusawa and Y. Matsushima
Ｎｏ.２
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
国際会議
国際会議
国際会議
国際会議
国際会議
国際会議
国際会議
○題名：New Method for Reduction of Carrier Lifetime in Semiconductor Optical Amplifier by using Assist Light
発 表 ：International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM'98)
発表年月：1998 年 5 月
連名者：M. Tsurusawa, M. Usami and Y. Matsushima
○題名：Optimum Wavelength of Assist Light for Efficient Reduction of Carrier Lifetime in Semiconductor Optical Amplifier
発表：Optoelectronics & Communications Conference(OECC'98) 発表年月：1998 年 7 月
連名者：M. Tsurusawa, M. Usami and Y. Matsushima
○題名：Demonstration of Optical Noise Reduction using Nonlinear Absorption in Semiconductor Laser Amplifier
発表：16th IEEE International Semiconductor Laser Conference 発表年月：1998 年 10 月
連名者：M. Tsurusawa, M. Usami and Y. Matsushima
○題名：Enhancement of Signal to Noise Ratio in Transmission Performance by Nonlinear Absorption in Semiconductor Waveguide
発表：Optoelectronics and Communications Conference(OECC'00) 発表年月：2000 年 7 月
連名者：M. Tsurusawa, M. Usami and Y. Matsushima
○題名：Novel Scheme for Reducing the Pattern Effect in 40 Gbps SOA based All-optical Switch Utilizing Transparent CW Assist Light
発 表 ：International Conference on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM'01)
発表年月：2001 年 5 月
連名者：M. Tsurusawa, M. Usami and Y. Matsushima
○ 題 名 ：First Demonstration or Simultaneous Demultiplexing from 80Gb/s to 2x40Gb/s by SOA-Based All-Optical Polarization Switch
発表：European Conference on Optical Communication(ECOC '01) 発表年月：2001 年 9 月
連名者：M. Tsurusawa, K. Nishimura and M. Usami
○題名：Distinct regeneration capability of 40Gbit/s signal impaired with amplitude noise and timing jitter using SOA-based all-optical polarization discriminated switch
発表：The Optical Fiber Communication Conference (OFC '02) 発表年月：2001 年 3 月
連名者：M. Tsurusawa, K. Nishimura and M. Usami
Ｎｏ.３
早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書
種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）
国際会議
国際会議
国際会議
そ の 他 の 研究業績
○題名：80Gbit/s Wavelength Conversion using SOA-based All-optical Polarization Discreminated Switch
発表：Optoelectronics and Communications Conference(OECC'02) 発表年月：2002 年 7 月
連名者：M. Tsurusawa, K. Nishimura and M. Usami
○ 題 名 ：Bit-rate Tunable All-optical Regeneration by SOA-based Polarization Discriminated Switch using Variable Differential Group Delay Generator 発表：European Conference on Optical Communication(ECOC '02)
発表年月：2002 年 9 月
連名者：M. Tsurusawa, K. Nishimura and M. Usami
○題名：Operation margin of all-optical regenerator at 40 Gbit/s by SOA-based polarization discriminated switch
発表：The Optical Fiber Communication Conference (OFC '03) 発表年月：2003 年 3 月
連名者：M. Tsurusawa, K. Nishimura and M. Usami
論文 ２件（共著）
レター ２件（共著）
国際会議（査読付） ６件（筆頭、招待講演１件を含む）
２２件（共著）
チュートリアル講演 １件
（海外）
チュートリアル講演 ３件
（国内）
パネル講演 ２件
（海外）
パネル講演 ３件
（国内）
解説記事 １件
（和文）
