JP2015148869A - 光デバイスシミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子回路シミュレータで光デバイスをシミュレーションするにあたり、現実的な計算機資源と計算時間でシミュレーションする。
【解決手段】光デバイスシミュレーション方法は、光入力信号の搬送波周波数を疑似搬送波周波数に低下させる搬送波周波数変換ステップ（１ａ，１ｂ，１ｃ）と、搬送波周波数変換ステップによって搬送波周波数が変換された光入力信号を入力とし、この光入力信号に対する光デバイスの応答を光デバイスモデルによって模擬する光デバイスシミュレーションステップ（４ａ，４ｂ，４ｃ）とを含む。光デバイスモデルは、搬送波周波数における光デバイスの応答特性が疑似搬送波周波数における光デバイスの応答特性に移動するように、光入力信号に対する応答特性が予め設定される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、電子回路シミュレータを用いて光デバイスの特性をシミュレーションする光デバイスシミュレーション方法に関するものである。

近年光通信において、電子回路と光回路を協調設計することで、各々の性能限界を打破する試みがなされている。電子回路と光回路の協調設計においては、設計の妥当性を検証するシミュレーション環境が必要となる。そのため、集積密度の大きな電子回路シミュレータを母体とし、その中で光回路のシミュレーションを実現することで、協調設計の妥当性を検証するシミュレーション環境にしようとする研究が盛んに行われている。

光通信で用いられる光も電磁波であるため、その搬送波周波数において電子回路シミュレータを駆動すれば、光回路もシミュレーション可能となる。しかし、光通信で用いられる搬送波周波数は数１０〜数１００ＴＨｚと高く、通常の電子回路シミュレータでは取り扱うことができない。仮に取り扱うことができたとしても、電子回路で取り扱う最高周波数は、信号の変調周波数程度（数十ＧＨｚ程度）であり、搬送波周波数とは３桁以上の差異があるため、膨大な計算機資源と計算時間を必要とし、現実的なシミュレーションが非常に困難である。そのためこれまでは、電子回路シミュレータで光回路をシミュレーションする際に、搬送波周波数を考慮せず、光電気変換、電気光変換を伴うデバイスに限定し、信号の変調周波数に対する応答のみをシミュレーションしてきた（非特許文献１）。

一方で、近年の情報流通量の爆発的増大に対応するために、搬送波周波数の異なる複数の電磁波に個別に変調をかける方式（波長多重方式）が主流になっている。光通信の利用可能帯域幅は、Ｏ帯からＬ帯を考えると５０ＴＨｚを超える。当該帯域内における応答関数が均一なデバイスは光ファイバなど限られており、上記光電気変換、電気光変換を伴うデバイスを含め、多くのデバイスは当該帯域内で応答関数が異なるため、シミュレーションにおいては搬送波周波数を考慮することが必要不可欠になっている。

J.-W.Shi，et al.，"Dynamic Analysis of a Si/SiGe-Based Impact Ionization Avalanche Transit Time Photodiode With an Ultrahigh Gain-Bandwidth Product"，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，VOL. 30，NO. 11，p.1164-1166，2009

以上のように、従来の技術では、光の搬送波周波数を考慮してシミュレーションしようとすると、電子回路シミュレータで光デバイスをシミュレーションすることが非常に困難であった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電子回路シミュレータで光デバイスをシミュレーションするにあたり、現実的な計算機資源と計算時間でシミュレーションすることができる光デバイスシミュレーション方法を提供することを目的とする。

本発明は、ＣＰＵと記憶装置とを備えたコンピュータにおいて光デバイスの特性をシミュレーションする光デバイスシミュレーション方法において、光入力信号の搬送波周波数を疑似搬送波周波数に低下させる搬送波周波数変換ステップと、この搬送波周波数変換ステップによって搬送波周波数が変換された光入力信号を入力とし、この光入力信号に対する光デバイスの応答を光デバイスモデルによって模擬する光デバイスシミュレーションステップとを、前記記憶装置に格納されたプログラムに従って前記ＣＰＵに実行させ、前記光デバイスモデルは、前記搬送波周波数における光デバイスの応答特性が前記疑似搬送波周波数における光デバイスの応答特性に移動するように、光入力信号に対する応答特性が予め設定されることを特徴とするものである。

また、本発明の光デバイスシミュレーション方法の１構成例は、さらに、前記搬送波周波数変換ステップによって搬送波周波数が変換された光入力信号を搬送波周波数ごとに振り分けて前記光デバイスモデルに入力する光入力信号分配ステップを含み、前記搬送波周波数変換ステップは、搬送波周波数が異なる複数の光入力信号が入力されたときに、これら光入力信号の搬送波周波数をそれぞれ異なる疑似搬送波周波数に低下させるステップを含み、前記光デバイスモデルは、異なる搬送波周波数ごとに設定されることを特徴とするものである。

また、本発明の光デバイスシミュレーション方法の１構成例において、前記光デバイスモデルは、光入力信号に対するフォトダイオードの応答を模擬するものである。
また、本発明の光デバイスシミュレーション方法の１構成例において、前記光デバイスモデルは、光入力信号に対する光変調器の応答を模擬するものである。
また、本発明の光デバイスシミュレーション方法の１構成例において、前記光デバイスモデルは、光入力信号に対する光濾波器の応答を模擬するものである。

本発明によれば、光入力信号の搬送波周波数を疑似搬送波周波数に低下させ、光デバイスシミュレーションステップで用いる光デバイスモデルを、搬送波周波数における光デバイスの応答特性が疑似搬送波周波数における光デバイスの応答特性に移動するように設定しておくことにより、従来のシミュレーション方法とほぼ等価な計算機資源と計算時間でシミュレーションを実行することができる。本発明では、実際の搬送波周波数よりも２桁程度低い周波数を疑似搬送波周波数とすることにより、疑似搬送波周波数を変調周波数の概ね１０倍程度に抑えることができる。

また、本発明では、搬送波周波数依存性を有する光デバイスのシミュレーションを実現できるので、搬送波周波数が異なる複数の光信号を光デバイスに入力する場合も電子回路シミュレータ上でシミュレーションを実行することができる。これにより、本発明では、シミュレータの応用先を拡大させることができ、設計コストを低減することができる。

従来のシミュレーション処理を説明する図である。 本発明のシミュレーション処理を説明する図である。 搬送波周波数が異なる複数の光信号が入力された時の従来と本発明のシミュレーション処理を説明する図である。 フォトダイオードの光応答の搬送波周波数依存性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るシミュレーション方法を説明するブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るシミュレーション方法を説明するブロック図である。

［発明の原理］
本発明は、電子回路シミュレータで光回路をシミュレーションするにあたり、光の搬送波周波数を低下させ、現実的な計算機資源と計算時間でシミュレーションを可能とする。搬送波周波数を低下させた後の疑似搬送波周波数は、変調周波数の概ね１０倍程度に抑えることができるので、従来手法とほぼ等価な計算機資源と計算時間でシミュレーションを実行することができる。予め複数の搬送波周波数に対する光デバイスの応答を、測定または計算により取得し、疑似搬送波周波数周辺での特性と対応させておくことで、搬送波周波数近傍に対する応答が異なる光デバイスのシミュレーションを実現できる。

まず、図１（Ｂ）のような搬送波周波数に対する応答関数をもつ光デバイスを例に用いて従来の解析手法の説明を行う。図１（Ａ）に示すように、光の変調信号は、高い搬送波周波数Ｆ１と、変調信号による帯域Ｆ２とを持つ。この光入力信号を図１（Ｂ）のような搬送波周波数依存を持つ光デバイスに入力することを想定する。従来のシミュレーション方法では、入力信号の搬送波周波数Ｆ１は無視されるため、スペクトル上では図１（Ｃ）の状態となる。搬送波周波数依存を持つ光デバイスは特定の搬送波周波数における応答１点を抜出し、図１（Ｄ）のようにすべての搬送波周波数における応答としてみなされる。図１（Ｃ）と図１（Ｄ）を掛け合わすことによって光デバイスの出力信号が得られる。

対して本発明では、図２（Ｃ）のように搬送波周波数Ｆ１を変調周波数Ｆ２の概ね１０倍程度の比較的低い周波数である疑似搬送波周波数Ｆ３へ移動させる。図１（Ｂ）、図２（Ｂ）のような搬送波周波数に対する応答関数をもつ光デバイスについて、光デバイスの応答関数を、図２（Ｄ）のように疑似搬送波周波数Ｆ３付近に移動させる。図２（Ｄ）では、荒い精度で移動させているため、応答関数はステップ応答になっているが、精度を上げれば元の応答関数をよく再現することができる。図２（Ｃ）と図２（Ｄ）を掛け合わすことによって光デバイスの出力信号が得られる。搬送波周波数は数１００ＴＨｚのＦ１から数１００ＧＨｚのＦ３へと下がっているため、電子回路シミュレータでも現実的な時間の範囲で光デバイスの特性を解析することができる。

図３（Ａ）〜図３（Ｆ）は搬送波周波数が異なる複数の光信号が入力された時の従来と本発明のシミュレーション処理を説明する図である。ここでは、搬送波周波数をＦ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃとする。図３（Ａ）、図３（Ｂ）で示したように従来のシミュレーション方法では、搬送波周波数Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃを無視するため、シミュレーションによって得られる光デバイスの出力信号は図３（Ｃ）のように搬送波周波数０Ｈｚの同一な波形となる。

対して本発明では、図３（Ｄ）のように各光信号が異なる搬送波周波数Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃを持つという情報が保持される。すなわち、搬送波周波数Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃをそれぞれ疑似搬送波周波数Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃへ移動させる。そして、図２（Ｂ）に示したような搬送波周波数に対する応答関数をもつ光デバイスについて、光デバイスの応答関数を、図３（Ｅ）のように疑似搬送波周波数Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃ付近に移動させる。これにより、光デバイスの応答関数が搬送波周波数ごとに異なることを再現できる。図３（Ｄ）と図３（Ｅ）を掛け合わすことによって、図３（Ｆ）のような光デバイスの出力信号が得られる。図３（Ｆ）によれば、光デバイスの出力は搬送波周波数の情報を保持し、各搬送波周波数で異なる出力を持つ。すなわち光デバイスの搬送波周波数依存特性を表している。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態では、本発明のシミュレーション方法をフォトダイオード（ＰＤ）に適用した例を示す。フォトダイオードは、図４のように光電変換効率において搬送波周波数に依存した応答を示す。

図５は本実施の形態のシミュレーション方法を説明するブロック図である。図５はコンピュータを用いて実現されるシミュレーション装置（電子回路シミュレータ）で行われるシミュレーション処理を機能ブロックで表現したものである。図５のミキサモデル１ａ，１ｂ，１ｃは、ミキサの動作を模擬するものであり、光入力信号ＩＮａ，ＩＮｂ，ＩＮｃの搬送波周波数Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃを疑似搬送波周波数Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃに低下させる搬送波周波数変換ステップを表している。合波器モデル２は、ミキサモデル１ａ，１ｂ，１ｃからの複数の光入力信号を合波する合波器を模擬する合波ステップを表している。スイッチモデル３は、スイッチの動作を模擬するものであり、光入力信号を搬送波周波数ごとに振り分ける光入力信号分配ステップを表している。

ＰＤモデル（光デバイスモデル）４ａ，４ｂ，４ｃは、光入力信号に対するＰＤの応答を模擬する光デバイスシミュレーションステップを表している。ＰＤモデル４ａ，４ｂ，４ｃは、図３（Ｅ）に示すように搬送波周波数Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃにおける応答特性が疑似搬送波周波数Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃにおける応答特性に移動するように、光入力信号に対する応答特性が予め設定されている。
合波器モデル５は、ＰＤモデル４ａ，４ｂ，４ｃからの複数の出力信号（電気信号）を合波する合波器を模擬する合波ステップを表している。

本実施の形態では、図３（Ｄ）に示したように搬送波周波数が異なる光信号を３つ入力した場合を考える。まず、搬送波周波数変換ステップ（１ａ，１ｂ，１ｃ）では、光入力信号ＩＮａ，ＩＮｂ，ＩＮｃの搬送波周波数Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃを疑似搬送波周波数Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃに低下させる。具体的には、図５のように光入力信号（変調波）ＩＮａ，ＩＮｂ，ＩＮｃに対して、疑似搬送波周波数Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃを持つ搬送波Ｃａ，Ｃｂ，Ｃｃをミキサモデル１ａ，１ｂ，１ｃで乗算することで搬送波周波数を低下させる。

合波ステップ（２）では、搬送波周波数変換ステップによって搬送波周波数が変換された複数の光入力信号を合波して、スイッチモデル３に入力する。
光入力信号分配ステップ（３）では、搬送波周波数変換ステップによって搬送波周波数が変換された光入力信号を搬送波周波数ごとに振り分ける。上記のとおり、ＰＤモデル４ａ，４ｂ，４ｃは、搬送波周波数Ｆ１ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ１ｃにおける応答特性が疑似搬送波周波数Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃにおける応答特性に移動するように、応答特性が予め設定されている。光入力信号分配ステップで振り分けられた光入力信号は、対応するＰＤモデル４ａ，４ｂ，４ｃに入力される。すなわち、搬送波周波数Ｆ３ａの光入力信号はＰＤモデル４ａに入力され、搬送波周波数Ｆ３ｂの光入力信号はＰＤモデル４ｂに入力され、搬送波周波数Ｆ３ｃの光入力信号はＰＤモデル４ｃに入力される。

光デバイスシミュレーションステップでは、ＰＤモデル４ａ，４ｂ，４ｃにより光入力信号に対するＰＤの応答を模擬することにより、ＰＤの出力信号を得る。
合波ステップ（５）では、光デバイスシミュレーションステップによって得られた複数の出力信号を合波する。こうして、図３（Ｆ）に示したように搬送波周波数ごとに異なる出力が得られる。

以上のように、本実施の形態では、従来のシミュレーション方法とほぼ等価な計算機資源と計算時間でシミュレーションを実行することができる。本実施の形態では、搬送波周波数依存性を有する光デバイスのシミュレーションを実現できるので、搬送波周波数が異なる複数の光信号を光デバイスに入力する場合も電子回路シミュレータ上でシミュレーションを実行することができる。これにより、本実施の形態では、シミュレータの応用先を拡大させることができ、設計コストを低減することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は本実施の形態のシミュレーション方法を説明するブロック図であり、図５と同一の信号および処理には同一の符号を付してある。図６は、図５と同様にシミュレーション装置（電子回路シミュレータ）で行われるシミュレーション処理を機能ブロックで表現したものである。
分配器モデル６は、合波器モデル２によって合波された光入力信号を均等に分配する分配器を模擬する分配ステップを表している。

搬送波周波数変換ステップ（１ａ，１ｂ，１ｃ）と合波ステップ（２）は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
本実施の形態では、光入力信号分配ステップによる光入力信号の振り分けをバンドパスフィルタモデル７ａ，７ｂ，７ｃによって行っている。搬送波周波数変換ステップによって搬送波周波数が変換された光入力信号は、合波器モデル２で合波され、分配器モデル６によってバンドパスフィルタモデル７ａ，７ｂ，７ｃに等しく分配されるが、バンドパスフィルタモデル７ａ，７ｂ，７ｃごとに通過する周波数が異なる。バンドパスフィルタモデル７ａ，７ｂ，７ｃが模擬するバンドパスフィルタの通過周波数は、それぞれＰＤモデル４ａ，４ｂ，４ｃの応答特性が設定された搬送波周波数Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃに対応している。したがって、バンドパスフィルタモデル７ａ，７ｂ，７ｃは、それぞれ対応する通過周波数（搬送波周波数Ｆ３ａ，Ｆ３ｂ，Ｆ３ｃ）の光入力信号のみを通すことになる。

光デバイスシミュレーションステップ（４ａ，４ｂ，４ｃ）と合波ステップ（５）は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第１、第２の実施の形態では、光デバイスモデルとしてＰＤモデル４ａ，４ｂ，４ｃを用いている。すなわち、ＰＤの応答特性（光電流変換効率の搬送波周波数依存性）をシミュレーションしているが、これに限るものではなく、光デバイスモデルとして光変調器モデルを用いてもよいし、光濾波器モデルを用いてもよい。光変調器モデルを用いる場合には、光変調器の応答特性（半波長電圧の搬送波周波数依存性）をシミュレーションすることになり、光濾波器モデルを用いる場合には、光濾波器の応答特性（光導波特性の搬送波周波数依存性）をシミュレーションすることになる。

第１、第２の実施の形態のシミュレーション装置（電子回路シミュレータ）は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および外部とのインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、電子回路シミュレータを用いて光回路をシミュレーションする技術に適用することができる。

１ａ〜１ｃ…ミキサモデル、２，５…合波器モデル、３…スイッチモデル、４ａ〜４ｃ…ＰＤモデル、６…分配器モデル、７ａ〜７ｃ…バンドパスフィルタモデル。

Claims (5)

1. ＣＰＵと記憶装置とを備えたコンピュータにおいて光デバイスの特性をシミュレーションする光デバイスシミュレーション方法において、
   光入力信号の搬送波周波数を疑似搬送波周波数に低下させる搬送波周波数変換ステップと、
   この搬送波周波数変換ステップによって搬送波周波数が変換された光入力信号を入力とし、この光入力信号に対する光デバイスの応答を光デバイスモデルによって模擬する光デバイスシミュレーションステップとを、前記記憶装置に格納されたプログラムに従って前記ＣＰＵに実行させ、
   前記光デバイスモデルは、前記搬送波周波数における光デバイスの応答特性が前記疑似搬送波周波数における光デバイスの応答特性に移動するように、光入力信号に対する応答特性が予め設定されることを特徴とする光デバイスシミュレーション方法。
2. 請求項１記載の光デバイスシミュレーション方法において、
   さらに、前記搬送波周波数変換ステップによって搬送波周波数が変換された光入力信号を搬送波周波数ごとに振り分けて前記光デバイスモデルに入力する光入力信号分配ステップを含み、
   前記搬送波周波数変換ステップは、搬送波周波数が異なる複数の光入力信号が入力されたときに、これら光入力信号の搬送波周波数をそれぞれ異なる疑似搬送波周波数に低下させるステップを含み、
   前記光デバイスモデルは、異なる搬送波周波数ごとに設定されることを特徴とする光デバイスシミュレーション方法。
3. 請求項１または２記載の光デバイスシミュレーション方法において、
   前記光デバイスモデルは、光入力信号に対するフォトダイオードの応答を模擬するものであることを特徴とする光デバイスシミュレーション方法。
4. 請求項１または２記載の光デバイスシミュレーション方法において、
   前記光デバイスモデルは、光入力信号に対する光変調器の応答を模擬するものであることを特徴とする光デバイスシミュレーション方法。
5. 請求項１または２記載の光デバイスシミュレーション方法において、
   前記光デバイスモデルは、光入力信号に対する光濾波器の応答を模擬するものであることを特徴とする光デバイスシミュレーション方法。

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