半導体光増幅器の相互利得変調を用いた光
–無線メディア変換法の伝送性能
向上の検討
山中 友輔†a)（学生員） 久保木 猛†（正員） 加藤 和利†（正員：シニア会員）
Improvement of Optical-to-Wireless Media Conversion Technique by Utilizing XGM at SOA Yusuke YAMANAKA†a),Student Member, Takeshi KUBOKI†,Member,
and Kazutoshi KATO†,Senior Member
あらまし 半導体光増幅器の相互利得変調を用いた光–無線メディア変換法の信号品質向上の検討を行った． 光–無線メディア変換データ伝送実験系を構築し，高い消光比となる条件でエラーレートの大幅な改善を達成した． キーワード 半導体光増幅器，相互利得変調，フォトミキシング，メディア変換
1.
ま え が き
周波数が0.1 THzから10 THzの電磁波であるテラ ヘルツ波は，既存の無線通信で用いられている電磁波 よりも圧倒的に周波数が高いことから，将来の大容量 無線通信の媒体として期待されている[1]．光ネット ワークの信号をテラヘルツ波無線ネットワークの信号 にメディア変換を行う方法として，我々はフォトミキ シング技術を用いたテラヘルツ波信号生成を検討して いる．フォトミキシング技術は周波数の異なる二光波 を用いるため，信号を光ネットワークの一光波から， 周波数差がテラヘルツ領域となる二光波に載せ替える 必要がある．そこで我々は半導体光増幅器(SOA)の相 互利得変調(XGM)を用いた光–テラヘルツ波変換法 を考案した[2]．この手法においてフォトミキサとして 用いる単一走行キャリアフォトダイオード(UTC-PD) からの出力テラヘルツ波信号強度は入射平均光強度が 規定値を超えると飽和する．したがってS/Nの高い テラヘルツ波信号を得るためには入射平均光強度を規 定値以下に保ったまま，入射光信号の変調度(消光比) を可能な限り大きくする必要がある． 本論文ではXGMを用いた光–テラヘルツ波変換の 実現に向けて，XGMの最適化による無線信号高品質 化を検討した．そしてXGMによる光–無線メディア 変換法を用いたデータ伝送実験系を構築し，BER特 性の測定によりその効果を確認した． †九州大学大学院システム情報科学研究院，福岡市Kyushu University, 744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka-shi, 819–0395 Japan a) E-mail: yamanaka@optoele.ed.kyushu-u.ac.jp
2. XGM
特性評価
XGM後の被波長変換光の消光特性を調べるため， SOA (温度22◦C，注入電流100 mA)に入射するCW 光(被波長変換光)強度と信号光強度を変化させ，SOA を通過した後の被波長変換光強度と元の信号光強度の 変化を測定した．図1はSOAに入射するCW光強 度が+1 dBmと−5 dBmのそれぞれの場合について， SOA通過後の被波長変換光強度と元の信号光強度の 測定結果である．SOAに入射するCW光強度を減少 させると，SOAに入射する信号光強度に対する被波長 変換光の強度変化量が増加している．例えばSOAに 光強度が+1 dBmのCW光と光強度が−6 dBm (点 A)と+4 dBm (点B)の二値で強度変調された信号光 を同時に入射すると，SOA通過後の被波長変換光の消 光比は3.6 dBとなる．CW光強度を−5 dBmまで下 げると消光比は5.8 dBへと向上する．この消光比向上 の要因としては，SOAに入射する光強度が小さいほ ど，利得の変化が大きいためだと考える．ここでCW 図 1 SOA通過後の被波長変換光強度 (実線)，SOA 通過 後の元の信号光強度 (破線)Fig. 1 Power of converted lightwave after SOA (Solid line). Power of signal lightwave after SOA (Dashed line).
電子情報通信学会論文誌2018/4 Vol. J101–C No. 4
図 2 XGMを用いたメディア変換構成
Fig. 2 Media conversion system with XGM.
光強度が−5 dBm，信号光強度が+4 dBm (点B)の とき，元の信号光強度はSOA通過後の被波長変換光 強度よりも8.1 dB大きい．この元の信号光を抑圧比 25 dBの光バンドパスフィルタで切り出すと，我々が 目標とする約15 dB以上の被波長変換光強度対信号 光強度比が得られる．SOAに入射するCW光強度を 更に小さくすると，被波長変換光に対する信号光の強 度が更に大きくなり，光フィルタで信号光除去しても 15 dB以上の消光比は確保できず，生成するテラヘル ツ波の信号品質が劣化する．したがって必要なS/Nを 保ちながら，消光比を最大化するCW光強度の最適 値は−5 dBmであると考えた．
3. XGM
を用いたメディア変換
今回は原理検証を目的とするため，測定器自体の特 性が既知で，本方式本来の特性を抽出可能な周波数と して，テラヘルツ波に代えて25 GHzのマイクロ波領 域で実験を行った．図2にXGMを用いたメディア変 換構成を示す．波長1545 nmの光波f0に1 Gbit/sの 疑似ランダムパターンでOOK変調を行い，メディア 変換に用いる光信号を生成する．また波長が1550 nm のCW光f1を25 GHzで位相変調し，周波数間隔が 25 GHzの周波数コムを生成する．その後，波長選択 フィルタを用いて周波数差が25 GHzのCW光f1と f2を取り出す．光カプラを用いて光波f0とCW光f1 とf2を合波し，SOA (InGaAsP系，長さ900µm)に 入射する．ここで，SOAに注入する電流は100 mAで ある．電流値を変化させるとSOA通過後の光強度は増 加するが，SOA通過後の被波長変換光強度と元の信号 光強度との相対関係(図1)はほぼ変化しない．SOA通 過後，光フィルタにより光波f0を除去し光アンプで増 幅した後にUTC-PDでキャリア周波数25 GHzのマ イクロ波を生成する．UTC-PDで生成したマイクロ波 図 3 1 Gbit/s伝送時の BER 特性 Fig. 3 BER characteristics at 1 Gbit/s.を，本原理検証実験では同軸ケーブルで伝送後，コヒー レント検波しビット誤り率(BER)特性を測定した． 図3はSOAに入射するCW光強度が+1 dBmと −5 dBmのそれぞれの場合のBER特性である．ここ で横軸はUTC-PDに流れるフォトカレントであり， UTC-PDへの入力光強度はほぼこの値に比例した量で ある．CW光強度が−5 dBmのときには+1 dBm時の 70%のフォトカレントでエラーフリー(BER<10−11) が達成されている．フォトミキシングで発生する高周 波電力はフォトカレントの2乗に比例することから， 70%のフォトカレントは1/2の高周波電力に相当する． つまりXGM最適化による消光比改善の効果で3 dB の大幅な信号品質向上が確認された．
4.
む す び
SOAのXGM特性を用いた光–無線メディア変換法 を提案し，信号品質の指標となる被波長変換光の消光 比とSOAに入射する光波の光強度との関係を調べ， 入射するCW光強度を小さくすることで高い消光比 が得られることを見出した．実際にXGMを用いたメ ディア変換実験を行い，消光比改善による信号品質向 上を確認した． 謝辞 本研究の一部はJST産学共創基礎基盤研究 及びJST/CREST(グラント番号JPMJCR1431)に よるものである．NTT研究所から多大な支援をいた だいた． 文 献 [1] 永妻忠夫，尾 奏一，味戸克裕，寶迫 厳，“300GHz∼ 1THzを 利 用 し た 無 線 通 信 の 将 来 展 望 ，” 信 学 技 報 ， ED2012-100(8), Dec. 2012.[2] Y. Kim, Y. Yamanaka, and K. Kato, “Demonstra-tion of novel media conversion method from opti-cal to THz-wave networks,” Singapore, CLEO-PR, OECC&PGC 2017, 2-4G-4, Aug. 2017.
（平成 29 年 12 月 16 日受付，30 年 3 月 16 日公開）
