半導体光増幅器の強化された機能と先進光ネットワークにおけるその役割
InPhenix, Inc.、
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I. はじめに
半導体光増幅器（SOA）は、通信業界における幅広い増幅およびルーティング機能に導入可能な、極めて汎用性の高いコンポーネントです。最小限のスペース要件（フォームファクタ）、統合性、そしてスケールアウトした製造プロセスによる高いコスト削減の可能性により、SOAは将来の高度な光ネットワークにおいてますます重要な役割を果たすことが確実です。SOAは、コア、メトロ、そして最終的にはアクセスアプリケーション向けの高度な光ネットワークサブシステムに光増幅を実装するための、費用対効果の高いソリューションです。製品化されたSOAは、InPhenix社から現在入手可能です。
粗波長分割多重（CWDM）は、メトロおよびエンタープライズネットワーク層において、接続の柔軟性とスループットの向上を実現する低コストな方法です。CWDMシステムの容量と距離（100 km以上）を拡張するには、光帯域全体（1260 nmから1620 nm）で動作する低コストの光増幅器が必要です。SOAは、現在利用可能な唯一の実用的な技術であり、これらの拡大するアプリケーションに対応できます。
SOA の高速非線形特性は、光信号処理、クロック回復、超高速光時間多重化/多重分離、パルス成形、光ルーティング、分散補償、WDM アプリケーションにおける波長変換など、さまざまなアプリケーションにとって非常に魅力的です。
SOA は光信号のゲーティングに使用できます。つまり、信号は SOA によって増幅または吸収されます。低バイアス電流での SOA のブロッキング特性は、再構成可能追加/ドロップ マルチプレクサ (ROADM) などのチャネル ルーティング機能を 50dB を超えるオフチャネル分離で生成できるため、非常に便利です。SOA は非線形特性を持っているため、クロスゲイン変調 (XGM)、クロス位相変調 (XPM)、または四光波混合 (FWM) によって光信号を別の波長に変換し、OEO 変換なしで全光クロスコネクトを実現できます。XPM は、2R (再増幅、パルス再整形) または 3R (再増幅、パルス再整形、再タイミング) 再生を提供するために使用できます。SOA は、物理的に小型で、さまざまな能動部品および受動部品との統合に大きな可能性を秘めた、コスト効率の高いソリューションを提供できます。
本稿では、波長変換、再構成可能な光アド/ドロップ、光クロスコネクト、高度な光ネットワークにおける全光再生など、SOA の基礎とそれに関連する拡張機能のいくつかについて説明します。
II. SOAの基礎
SOAは本質的にはレーザーダイオード（LD）であり、入出力ポートからのフィードバックがないため、
進行波増幅器（TWA）とも呼ばれます。SOAは汎用性と多機能性を兼ね備えたデバイスであることが実証されており、将来の光ネットワークの重要な構成要素となるでしょう。SOAの特性評価には、主に以下の5つのパラメータが用いられます。
ゲイン（Gs）、
ゲイン帯域幅、
飽和出力（Psat）、
雑音指数（NF）、
偏波依存ゲイン（PDG）
SOAは、アプリケーションに応じて最適なゲインを持つ必要があります。また、SOAが広範囲の信号波長を増幅できるように、広い光帯域幅も必要です。ゲイン飽和効果は出力に望ましくない歪みをもたらすため、理想的なSOAは、良好な直線性を実現し、歪みを最小限に抑えながらダイナミックレンジを最大化するために、非常に高い飽和出力を持つ必要があります。また、理想的なSOAは、出力における増幅自然放出光（ASE）電力を最小限に抑えるために、非常に低い雑音指数（物理的な限界は3dB）を持つ必要があります。最後に、理想的なSOAは、横方向電気（TE）偏波と横方向磁気（TM）偏波間のゲイン差を最小限に抑えるために、非常に低い偏波感度を持つ必要があります。しかし、SOA内部で発生するさまざまなプロセスの物理的な制限により、理想的なSOAを実現することは不可能です。
得
SOAは、半導体レーザーと同じメカニズムである誘導放出によって入射光を増幅します。光増幅器は本質的には帰還のないレーザーです。その最も有用な特徴は、増幅器が励起されて反転分布が達成される際に実現される光利得です。光利得は、入射信号の周波数（または波長）だけでなく、増幅器内の任意の点における局所的なビーム強度にも依存します。
飽和以下の単一パス光ゲイン (Gs) は、おおよそ次のように決まります。
図 1 は、250 mA における波長に対する一般的なゲイン プロファイルを示しています。
(A) IPSAD1301: 1310 nm ゲイン タイプの SOA。赤い線は 3dB ゲイン帯域幅 (55 nm) を表し、影の領域は高 Psat と低 NF の観点から最適なパフォーマンスを実現する波長動作範囲です。
(B) IPSAD1501: 1550 nm ゲイン タイプの SOA。赤い線は 3dB ゲイン帯域幅 (>45 nm) を表し、影の領域は高 Psat と低 NF の観点から最適なパフォーマンスを実現する波長動作範囲です。
式（1）は、高い注入電流、大きな光閉じ込め、長い共振器、多重量子井戸（MQW）構造、あるいはこれらの組み合わせによって高い利得が得られることを示しています。図1は、InPhenix社の利得型SOA IPSAD1301およびIPSAD1501の250mAにおける波長に対する典型的な利得プロファイルを示しています。
ゲイン帯域幅
利得帯域幅は、利得スペクトルの半値全幅（FWHM）として定義されます。光通信システムでは、比較的広い帯域幅を持つ増幅器が好まれます。これは、帯域幅全体にわたって利得がほぼ一定となるためです。3dB帯域幅は、バルクSOAの場合約45nmですが、量子井戸SOAの場合は60nmを超えることもあります。一般に、帯域幅は光閉じ込めと共振器長に反比例し、注入電流が増加するとバンドフィリング効果により帯域幅が広がります。図1は、InPhenixのゲイン型SOA IPSAD1301およびIPSAD1501の250mAにおける標準的な3dB利得帯域幅を示しています。
飽和出力
利得飽和の原因は、利得係数の電力依存性にあります。これは、注入電流ポンピングによる反転分布が、入力信号によって誘起される誘導放出によって減少する点です。実用上重要なのは飽和出力です。これは、増幅器の利得が飽和していない値から2分の1（または3dB）減少する出力電力として定義されます。一般に、飽和出力電力は光閉じ込めに反比例します。図2は、InPhenix IPSAD1301およびIPSAD1501ゲインタイプSOAの250mAにおける標準的な飽和出力電力を示しています。
ノイズ指数
すべてのレーザー増幅器は、増幅中に信号に加わる自然放出光のために、増幅信号の信号対雑音比（SNR）を低下させます。SNRの低下は、増幅器のノイズ指数と呼ばれるパラメータFnによって定量化され、log{(SNR)in/(SNR)out}として定義されます。ノイズは主に以下の発生源に起因します。
(1) 増幅信号ショットノイズ、
(2) 自然放出ショットノイズ、
(3) 信号-自然放出ビートノイズ、
(4) 自然放出-自然放出ビートノイズ、
(5) 信号過剰ノイズ
項目（1）と（2）は、いくつかの検出器パラメータに関連しています。通常、ビートノイズレベルはショットノイズより20dB大きくなります。高出力領域では信号自発ビートノイズが支配的になり、低出力領域では自発自発ビートノイズが支配的になります。ショットノイズのみによって性能が制限される理想的な検出器の場合、増幅信号のSNRは2倍（または3dB）低下します。SOAの理論的な雑音指数下限は、エルビウムドープ光ファイバー増幅器（EDFA）と同じ3dBです。しかし、実際にはSOAは、固有の内部損失と入力側の結合効率が低いため、より高いノイズレベルを示します。ほとんどのSOAでは、Fnは通常6～10dBの範囲です。
光通信システムでは、光増幅器のFnは可能な限り低くなければなりません。NFは動作波長、動作電流、および入力信号電力にも依存します。InPhenixは、MQW活性層と導波路を慎重に設計することで、広い範囲にわたって動作波長と動作電流に対するNFの依存性が非常に小さいSOAを開発しました。図3は、このタイプのSOAの性能を示しています。広い波長範囲（1280 nm～1340 nm）と広い動作電流範囲（150 mA～350 mA）において、動作波長と動作電流に対するNFの依存性が小さくなっています。
偏光感度
SOAの望ましくない特性の一つとして、入力信号の偏光に対する利得感度が挙げられます。横電界（TE）偏光と横磁界（TM）偏光では、閉じ込め係数と実効モード屈折率が異なるため、増幅器の利得は異なります。この特性により、増幅器の利得は入力ビームの偏光状態に依存し、これは光ファイバの伝播に伴って偏光状態が変化する光波システムアプリケーションには望ましくない特性です。活性層の幾何学的設計におけるいくつかのアプローチと、引張歪み（バルクまたは多重量子井戸）の適切な利用を組み合わせることで、SOAの偏光感度を1dB未満に低減できます。
InPhenix IPSAD1301 SOA で測定した 250mA での TE および TM 偏光の ASE スペクトル電力。
図4は、250mAで観測されたTE偏波とTM偏波の典型的なASEスペクトルを示しています。TE偏波とTM偏波のピーク波長差は1nm未満です。TE偏波とTM偏波のASE電力密度差は、1240nmから1340nmの波長範囲で0.8dB未満であり、偏波依存ゲインが1dB未満に適切に制御されていることを示しています。
SOAの特性を表すために、他の2つのパラメータも使用されます:
(1) ゲインリップル、
(2) スイッチング時間
SOAゲインリップルはSOAファセットからの残留反射によって発生し、可能な限り低く抑える必要があります。一般的に、SOAデバイスのファセット反射率は、20dBのゲインを実現するために0.01%以下に抑える必要があります。
SOAのスイッチング時間は立ち上がり時間と立ち下がり時間として測定され、典型的なスイッチング時間はナノ秒オーダーです。SOAをスイッチング機能として使用する場合、スイッチング時間は重要なパラメータです。図5は、InPhenix IPSAD1302およびIPSAD1502デバイスの典型的なスイッチング時間を示しています。立ち上がり時間（20%から80%まで）と立ち下がり時間（80%から20%まで）は約500ピコ秒です。
III. SOAに基づく波長変換
全光波長変換は、将来の全光ネットワークおよび光スイッチングブロックにおいて不可欠な機能となるでしょう。この機能は、
(1) 相互利得変調、
(2) 相互位相変調、
(3) SOAを用いた四光波混合、という3つの技術のいずれかによって実現できます。
クロスゲイン変調（XGM）に基づく波長変換器
入力信号を増幅すると、SOA内のキャリア密度が減少する。高入力パワーアプリケーションでは、このキャリア密度減少によってSOAの光利得が減少する可能性がある。この現象は、インラインアンプとして使用されるSOAの送信信号を歪ませるが、光波長変換（WC）を実現するために利用できる。この目的のために、ポンプ信号（入力信号、S）とプローブ信号（変換出力信号、C）の2つの信号がSOAに同時に注入される。ポンプ信号は振幅変調（AM）形式であり、プローブ信号は連続波（CW）形式である。
ポンプが低電力状態にある場合、SOAは飽和しないため、プローブの利得は飽和しません。高電力状態にある場合、利得は飽和し、プローブ信号の利得は低下します。利得の低下度合いは、ポンプ電力と増幅器に印加される注入電流に大きく依存します。このように、ポンプ変調は信号が反転された状態でプローブに伝達されます。図6は、SOAを用いた相互利得変調の原理を示しています。
共伝播スキーム
図6 共伝播および対向伝播XGM波長変換
原理の概略図。
図 6 に示すように、入力信号と CW 信号は、SOA に対して、同一方向または反対方向に入射できます。後者の場合、出力フィルタを回避でき、信号を同じ波長に変換することもできます。ただし、この反対方向の伝播構成では、同一方向の伝播構成に比べて帯域幅が狭くなり、増幅された自然放出光 (ASE) のノイズ レベルも高くなります。XGM 方式は、実現が簡単であるという利点があり、SOA が偏光無依存であれば、XGM 方式も偏光無依存にすることができます。XGM の変換効率を上げるには、プローブ電力を上げるよりも、平均信号電力を下げる方が良いでしょう。ただし、変換効率と出力消光比にはトレードオフがあります。大きな欠点の 1 つは、アップコンバートされた信号の消光比が劣化することです。
まとめると、XGM波長変換デバイスの魅力は、そのシンプルさ、高い変換効率、偏波非依存性、そして入力データの波長に対する無依存性（SOAゲイン帯域幅内であれば）にあります。偏波非依存性は、SOAゲインが偏波非依存性を持つように設計されている場合にのみ保証されます。これらのデバイスは広帯域であるため、1つのデバイスで1つの波長から複数の波長にデータを転送できます。これは、放送用途の波長ルーティングネットワークにおいて潜在的に有用である可能性があります。
これは、光ネットワークにおいてこのようなデバイスをカスケード接続する際に深刻な制限となる可能性があります。XGM波長変換器のもう一つの重要な欠点は、対象波形に誘起される波長チャープです。この波長チャープは伝送距離を大幅に制限する可能性があります。
相互位相変調（XPM）に基づく波長変換器
XGM方式における消光比劣化の問題を克服するために、SOAコンバータをXPMモード（XPMベースの波長コンバータでは干渉モードとも呼ばれる）で使用することができます。XPM方式は、SOAの活性領域におけるキャリア密度の屈折率依存性を利用しています。キャリア密度を減少させる入力信号は屈折率を変調し、コンバータに結合されたCW信号の位相変調をもたらします。例として、マッハツェンダー干渉コンバータの構造を図7に示します。
図7対称構成のXPMに基づく干渉波長変換器の概略図と動作原理。
XPM変換方式は、XGM方式に比べて非常に効率が高いという利点があります。また、アップコンバート信号とダウンコンバート信号の両方において優れた性能を示します。このデバイスでは、光はSOAを含む2つの経路に分割され、相対的な位相シフトが誘起されます。光が再結合されると、2つの経路間の位相差に応じて、建設的干渉または破壊的干渉が発生します。
干渉計の状態は通常、2つのSOAへの注入電流を調整するか、受動導波路内の独立した位相調整素子によって設定されます。したがって、干渉計型波長変換器がXGMに対して持つ第一の利点は、反転動作と非反転動作を選択できることです。
さらに、この高度な非線形特性は、入力データの波形整形、消光比の改善、そして入力信号におけるノイズの再分配をもたらします。これらの特性により、このデバイスは部分再生型となり、カスケード接続性が向上します。さらに、波長変換された信号のチャープ特性は、干渉計のバイアス点に応じて正または負に変化します。適切な操作により、出力チャープは光ファイバの分散によって補償され、分散光ファイバによる伝送距離を延長することができます。
まとめると、SOAの非線形性を利用したマッハツェンダー干渉計などの干渉計デバイスは、波長変換アプリケーションにおいて優れた性能を発揮します。主な利点は、偏光および波長非依存性、低チャープ、非反転出力、入力信号の部分再生、高い消光比です。欠点は、振幅変調方式の制限と、急峻な伝達特性によるバイアス点の制御の複雑さです。モノリシックに統合されたSOAおよびMZ干渉計のさらなる欠点としては、SOA設計における妥協と製造の複雑さが挙げられます。
四光波混合 (FWM) に基づく波長変換器
四光波混合 (FWM) は、3 つの異なる周波数の光信号が関与する非線形現象です
。
図8 SOAにおけるFWM現象
FWM波長変換器は、システム設計者に多くの利点をもたらします。まず、コヒーレント技術を用いることで、変調方式に依存しません。次に、波長変換された信号は入力データ信号の位相共役となるため、光ファイバの波長分散を補償できます。この分散補償技術は、ミッドスパンスペクトル反転と呼ばれています。さらに、FWMベースの波長変換器は、消光比を損なうことなく高速動作が可能です
。
FWMの効率（PFWM/Pinとして定義）は、デチューニングの増加に伴って低下します。これは、デチューニングが大きい場合に支配的な超高速バンド内プロセスが、デチューニングが小さい場合に支配的なバンド間プロセスよりも弱いためです。さらに、SOA内の非線形プロセス間の相互作用により、波長アップコンバージョンの効率はダウンコンバージョンよりも低くなります。FWM技術を実際のネットワークに利用する上での大きな課題の一つは、混合プロセスが偏光に対して強い感受性を持つことです。
まとめると、SOAにおけるFWMは波長変換の有望な手法であることが示されました。SOAにおけるFWMは、変調方式に依存せず、分散補償が可能で、超高速であるという点で魅力的です。主な欠点は、偏光感度と周波数シフトに依存する変換効率です。
まとめ
SOAを用いた波長変換は急速に成熟しつつある技術であり、あらゆる光ファイバー伝送システムに応用されています。いくつかのアプローチがあり、それぞれシステム設計者にとって長所と短所があります。現時点では、あらゆるケースに使用できる単一のデバイスは存在しないため、適切なデバイスの選択は具体的なアプリケーションによって異なります。今後の開発により、より高機能で高速動作を実現する集積デバイスが実現すると期待されます。
IV. 先進光ネットワークにおけるSOAの役割
SOAの増幅特性と非線形特性により、SOA、または他の光コンポーネントと統合されたSOAは、長距離、CWDM、メトロコア、メトロアクセスネットワークで使用できます。SOAの増幅特性は、レーザー出力をより高いレベルに増幅する（パワーブースター）、伝送路上の信号を増幅して減衰や分岐による損失を補償する（インラインアンプ）、受信器の前で信号を増幅して感度を向上させる（プリアンプ）、波長ごとに利得等化を行うといった用途に利用できます。SOAの非線形特性は、セクションIで説明したすべての光ネットワーク機能を実行するために使用できます。以下のサブセクションでは、SOAの重要な用途をいくつか説明します。
メトロコア、メトロアクセス、CWDMにおける増幅器としてのSOA
光ネットワークがメトロ市場へ浸透したことで、SOAをインラインアンプとして使用することが新たな関心を集めています。SOAを受信プリアンプとして使用することは、光検出器と統合できるため、光プリアンプへの優れたアプローチです。SOAアレイは、個々のアンプのゲイン調整によって波長チャネルをイコライズできるコンパクトなチャネルイコライザとしても使用できます。SOAは、メトロ環境における大容量伝送アプリケーションにおいて既にその真価を実証しています。したがって、量産が可能で、他のパッシブ配線プラットフォームへの統合も可能な小型SOAは、コスト重視のメトロ市場にとって非常に魅力的です。
図9 4チャネルCWDMシステムにおけるSOAの応用シナリオ。SOAはブースター、プリアンプ、またはその両方の組み合わせとして使用できます。
SOAは低コスト、少チャネル数の増幅において重要な役割を果たし、CWDMに適した唯一の光増幅技術です。図9は、CWDMにおけるSOAの適用シナリオをまとめたものです。CWDMアプリケーションにおけるSOAの重要なパラメータは、広い帯域幅、高い飽和出力、そして低いNFです。
長距離およびメトロコアにおけるゲートとしてのSOA
スイッチングとルーティングにおける電子的なボトルネックを克服するため、SOAゲートで構成された大規模なスイッチングマトリクスが構築され、SOAゲインを利用して挿入損失を低減しています。数百ピコ秒オーダーの高速応答速度は、パケットスイッチングに効果的に活用できます。
（あ）
（イ）
（ハ）
図10（a）SOAベースのROADM、（b）波長チャネルごとに3つのSOAゲートが必要、（c）ROADMにおけるSOAベースのゲートスイッチのドライバ図。
将来のサブシステムは、コアおよびメトロアプリケーションの事業者に、拡張性と柔軟性に優れたネットワークを提供する必要があります。これらのネットワークの主要機能の一つが、再構成可能なアド/ドロップ・マルチプレクサ（ROADM）です。ROADMは、光ファイバーから1つまたは複数の波長を抽出し（ドロップ）、同じ波長に異なる信号を再挿入します（アド）。マルチプレックス内の各波長は、データを通過させるか、ローカルでドロップし、ドロップする波長でローカルデータを追加するか、迅速に再構成できます。
図10は、最大40チャネルを備えたSOAベースのROADMを示しています。アレイ導波路回折格子（AWG）は信号の分配と多重化（デマルチプレクス）に使用され、SOAゲートは駆動電流を変化させることでスイッチング機能を実行します。各波長チャネルは個別のSOAによって増幅されるため、チャネル間クロストークが最小限に抑えられるだけでなく、増幅レベルと出力パワーをチャネルごとに調整できます。最も重要な特性は、ドロップされたチャネルとローカルに追加されたチャネル間の分離度です。
光クロスコネクト（OXC）要素としてのSOA
一般的に、光クロスコネクトは、すべての入力と出力間の再構成可能な接続（空間スイッチング）を提供するスイッチファブリックに過ぎません。SOAを用いた空間スイッチングは、通常、ブロードキャスト・セレクト構成で行われ、適切なパワースプリッタとコンバイナを用いて入力ポートと出力ポート間の完全な接続を実現します。各接続パスは、対応するSOAを使用してオン/オフを切り替えることができます。より高度な光クロスコネクトモードでは、波長変換を組み込むことで、高性能で完全な接続（波長変換スイッチング）を実現することもできます。
全光波長変換器および再生器としてのSOA
セクションIIIでは、SOAを用いた全光波長変換について論じました。ネットワーク性能の観点から見ると、XPMベースのデバイスは2R光再生型であり、チャープを調整可能で、反転および非反転データ出力モードで動作できるため、より優れた特性を備えています。波長変換を構成要素として用いることで、2Rおよび3R全光再生モジュールを実装できますが、これまでのところSOA構成に基づく3R再生デバイスの方が高速な性能を示しています。
V. 信頼性
LDと同様に、SOAは静電放電、過熱、スパイク／サージによる過駆動、負電圧に非常に敏感です。外部からの光フィードバックはSOAの致命的な劣化につながる可能性があるため、回避または最小限に抑える必要があります。SOAの信頼性と寿命は、使用方法の適切さにも左右されます。
表1 Telcordia資格試験
当社の SOA は、表 I に示す Telcordia GR-468 要件を満たしており、これは InPhenix SOA 製品の信頼性の重要な証明となります。
VI. 要約
InPhenixでは、設計から製造、そしてSOAデバイスの納品に至るまで、長期的な運用安定性、信頼性、そして長寿命を重要な要素として考慮しています。高い製造基準を維持し、お客様にご満足いただける製品を提供するために、品質管理およびプロセス監視プログラムを確立しています。
InPhenix の幅広い製品の説明と仕様については、当社の Web サイトをご覧ください。
