JP2018205550A - Optical trigger pulse generator and label processor using the same - Google Patents

Optical trigger pulse generator and label processor using the same Download PDF

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イブラヒム サラ
Ibrahim Salah
イブラヒム サラ
橋本 俊和
Toshikazu Hashimoto
俊和 橋本
達志 中原
Tatsushi Nakahara
達志 中原
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

To provide an optical trigger pulse generator capable of generating an optical trigger pulse for attenuating optical signals other than an initial optical pulse, and a label processor using the optical trigger pulse generator.SOLUTION: An optical trigger pulse generator is configured to, with an SOA 253 and an SOA driver OEIC 251 for driving the SOA 253, an amplitude initial optical pulse of an incoming optical packet 10 so as to align with a gain peak of the SOA 253. The optical trigger pulse generator is configured to transmit the optical pulse of the optical packet 10 having higher energy than a predetermined threshold, and connect, to an output side of the SOA 253, an optical rectification element 52 for blocking an optical signal having energy less than the predetermined threshold.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、光トリガーパルス発生器及びそれを用いた光パケット交換のためのラベル処理器に関する。   The present invention relates to an optical trigger pulse generator and a label processor for optical packet switching using the optical trigger pulse generator.

光パケットを光の状態のまま、光パケット単位で高速に転送する技術である光パケット交換技術においては、光パケットのペイロードは光のままで、ラベルのみ高速に処理を行うラベル処理器(LP;Label Processor)が必要とされる。   In optical packet switching technology, which is a technology for transferring optical packets in the optical state at a high speed in units of optical packets, the label processor (LP; Label Processor) is required.

本発明者等は、以前、プリアンブルなしの光パケットを処理するためのバーストモードのLPを開発した。このLPでは、動作のために光トリガーパルスを必要とする特殊なシリアル−パラレル変換器(SPC; Serial-to-Parallel Convertor)を使用している。このような光トリガーパルスは、光トリガーパルス発生器(TPG;Trigger Pulse Generator)と呼ばれる装置によって生成される。   The inventors have previously developed a burst mode LP for processing optical packets without a preamble. This LP uses a special serial-to-parallel converter (SPC) that requires an optical trigger pulse for operation. Such an optical trigger pulse is generated by a device called an optical trigger pulse generator (TPG).

Salah Ibrahim, Tatsushi Nakahara, Hiroshi Ishikawa, and Ryo Takahashi, "Burst-mode optical label processor with ultralow power consumption", OPTICS EXPRESS, 2016年4月4日, vol. 24, no. 7, pp. 6985-6995Salah Ibrahim, Tatsushi Nakahara, Hiroshi Ishikawa, and Ryo Takahashi, "Burst-mode optical label processor with ultralow power consumption", OPTICS EXPRESS, April 4, 2016, vol. 24, no. 7, pp. 6985-6995 Stephen M. Jensen, "The Nonlinear Coherent Coupler", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 1982年10月, vol. QE-18, no. 10, pp. 1580-1583Stephen M. Jensen, "The Nonlinear Coherent Coupler", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, October 1982, vol.QE-18, no. 10, pp. 1580-1583 Lian-Wee Luo, Salah Ibrahim, Arthur Nitkowski, Zhi Ding, Carl B. Poitras, S. J. Ben Yoo, Michal Lipson, "High bandwidth on-chip silicon photonic interleaver", OPTICS EXPRESS, 2010年10月25日, vol. 18, no. 22, pp. 23079-23087Lian-Wee Luo, Salah Ibrahim, Arthur Nitkowski, Zhi Ding, Carl B. Poitras, SJ Ben Yoo, Michal Lipson, "High bandwidth on-chip silicon photonic interleaver", OPTICS EXPRESS, October 25, 2010, vol. 18 , no. 22, pp. 23079-23087 C. Koos, P. Vorreau, T. Vallaitis, P. Dumon, W. Bogaerts, R. Baets, B. Esembeson, I. Biaggio, T. Michinobu, F. Diederich, W. Freude and J. Leuthold, "All-optical high-speed signal processing with silicon-organic hybrid slot waveguides", NATURE PHOTONICS, 2009年4月, vol. 3, pp. 216-219C. Koos, P. Vorreau, T. Vallaitis, P. Dumon, W. Bogaerts, R. Baets, B. Esembeson, I. Biaggio, T. Michinobu, F. Diederich, W. Freude and J. Leuthold, "All -optical high-speed signal processing with silicon-organic hybrid slot waveguides ", NATURE PHOTONICS, April 2009, vol. 3, pp. 216-219 Abha Aggarwal and Hardeep Singh, "Analysis of the Effect of Coupling Coefficient in a Nonlinear Directional Coupler based on Cross-Phase Modulation", International Journal for Innovative Research in Science & Technology, 2015年5月, vol. 1, pp. 406-412Abha Aggarwal and Hardeep Singh, "Analysis of the Effect of Coupling Coefficient in a Nonlinear Directional Coupler based on Cross-Phase Modulation", International Journal for Innovative Research in Science & Technology, May 2015, vol. 1, pp. 406- 412

本発明者等が以前考案したTPG(非特許文献1参照)は、電力消費が非常に少なく低遅延であることを特徴としているが、対処すべき以下の2つの問題がある。   The TPG devised by the present inventors (see Non-Patent Document 1) is characterized by extremely low power consumption and low delay, but has the following two problems to be addressed.

1)着信した光パケットに対して、複数の光パルスが生成されている場合、光クロックトランジスタアレイ(OCTA;Optically Clocked Transistor Array)の動作要求を満たすために、TPGによって1つの光トリガーパルス(最初の光パルス)だけが生成されるようにする必要があり、トリガーされたSPCの動作が行われないように、2番目以降の光パルスの振幅を大幅に削減するよう最終的に動作条件を調節する必要があること。 1) When a plurality of optical pulses are generated for an incoming optical packet, one optical trigger pulse (initially) is generated by the TPG in order to satisfy the operation requirement of an optical clock transistor array (OCTA). Only the optical pulse) is generated, and the operating conditions are finally adjusted so as to greatly reduce the amplitude of the second and subsequent optical pulses so that the triggered SPC operation is not performed. What you need to do.

2)着信した光パケットの「1」と「0」のビットの消光比が十分でない場合、TPGによって生成される光パルスが不完全で、SPCでの使用に適さない可能性があること。 2) If the extinction ratio of the “1” and “0” bits of the incoming optical packet is not sufficient, the optical pulse generated by the TPG may be incomplete and not suitable for use in SPC.

以上の問題のため、最初の光パルス以外の光信号の減衰が十分でない場合には、LPの動作を悪化させるおそれがあった。   Due to the above problems, the operation of the LP may be deteriorated when the optical signal other than the first optical pulse is not sufficiently attenuated.

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、最初の光パルス以外の光信号を減衰させた光トリガーパルスを生成することができる光トリガーパルス発生器及びそれを用いたラベル処理器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides an optical trigger pulse generator capable of generating an optical trigger pulse in which an optical signal other than the first optical pulse is attenuated, and a label processor using the optical trigger pulse generator. With the goal.

本発明は、上記の問題に対処するため、TPGの出力に光整流素子(光閾値素子)を追加する。この光整流素子では、TPGで生成された最初の光パルスが十分な振幅(エネルギー)を持っている場合は通過し、TPGで生成された光信号(光パルス又は雑音)のうち、振幅(エネルギー)が閾値に達していないものはブロックされる。そのため、最初の光パルスとその他の光信号との強度差をとることが可能となる。   The present invention adds an optical rectifying element (optical threshold element) to the output of the TPG in order to cope with the above problem. In this optical rectifying device, the first optical pulse generated by the TPG passes if it has a sufficient amplitude (energy), and the amplitude (energy) of the optical signal (optical pulse or noise) generated by the TPG is passed. ) Does not reach the threshold is blocked. Therefore, it is possible to take an intensity difference between the first optical pulse and another optical signal.

更に、本発明は、光整流素子の好適な例として、非線形光学物質で形成された方向性結合器を使用する。最初の光パルスの振幅を削減しないで維持することはSPCの動作にとって有益であるが、挿入損失の少ない光整流素子を実現することは容易ではない。光整流素子にはさまざまな実現方法が考えられるが、その中で、非線形光学物質で形成された方向性結合器では、伝播する光パルスのエネルギーに基づいて、1)TPGによって生成された最初の高エネルギーの光パルスが1つの出力ポートに転送され、2)TPGからのその他の全ての低エネルギーの光出力がもう1つの出力ポートに転送されるように、方向性結合器の屈折率が変更される。この方向性結合器では、高エネルギーの光パルスが分離され、SPCを効率的にトリガーするのに使用される。方向性結合器の挿入損失が理論的にゼロであるという事実に基づき、このアプローチによって損失の少ない光整流素子を実現することができる。   Furthermore, the present invention uses a directional coupler formed of a nonlinear optical material as a suitable example of the optical rectifying element. Although maintaining the amplitude of the first optical pulse without reducing it is beneficial to the operation of the SPC, it is not easy to realize an optical rectifying element with low insertion loss. Various realization methods are conceivable for the optical rectifying element. Among them, a directional coupler formed of a nonlinear optical material is based on the energy of a propagating light pulse, and 1) the first generated by the TPG. The refractive index of the directional coupler is changed so that high energy light pulses are transferred to one output port and 2) all other low energy light outputs from the TPG are transferred to the other output port. Is done. In this directional coupler, high energy light pulses are separated and used to efficiently trigger the SPC. Based on the fact that the insertion loss of a directional coupler is theoretically zero, an optical rectifying device with low loss can be realized by this approach.

従って、本発明は、以下の構成を特徴としている。   Accordingly, the present invention is characterized by the following configuration.

上記課題を解決する第1の発明に係る光トリガーパルス発生器は、
半導体光増幅器と前記半導体光増幅器を駆動する回路とを用いて、着信した光パケットの最初の光パルスを、前記半導体光増幅器のゲインピークに合わせて増幅して、光トリガーパルスを生成する光トリガーパルス発生器において、
所定の閾値より高いエネルギーを持つ前記最初の光パルスを通過させると共に、前記所定の閾値に達していないエネルギーを持つ光信号をブロックする光整流素子を、前記半導体光増幅器の出力側に接続した
ことを特徴とする。
An optical trigger pulse generator according to a first invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
An optical trigger that generates an optical trigger pulse by amplifying an initial optical pulse of an incoming optical packet in accordance with a gain peak of the semiconductor optical amplifier using a semiconductor optical amplifier and a circuit that drives the semiconductor optical amplifier In the pulse generator,
An optical rectifying element that passes the first optical pulse having an energy higher than a predetermined threshold and blocks an optical signal having an energy not reaching the predetermined threshold is connected to the output side of the semiconductor optical amplifier. It is characterized by.

上記課題を解決する第2の発明に係る光トリガーパルス発生器は、
上記第1の発明に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記光整流素子は、非線形光学物質で形成された方向性結合器からなり、前記所定の閾値より高いエネルギーを持つ前記最初の光パルスを一方の出力ポートへ出力すると共に、前記所定の閾値に達していないエネルギーを持つ光信号を他方の出力ポートへ出力する
ことを特徴とする。
An optical trigger pulse generator according to a second invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the optical trigger pulse generator according to the first invention,
The optical rectifier element is composed of a directional coupler formed of a nonlinear optical material, and outputs the first optical pulse having energy higher than the predetermined threshold to one output port, and reaches the predetermined threshold. It is characterized in that an optical signal having not-shown energy is output to the other output port.

上記課題を解決する第3の発明に係る光トリガーパルス発生器は、
上記第2の発明に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記方向性結合器の結合領域における一方の光導波路を他方の光導波路と相対的に熱調整するか、又は、前記結合領域における2本の光導波路を一緒に熱調整するヒータを設けた
ことを特徴とする。
An optical trigger pulse generator according to a third invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the optical trigger pulse generator according to the second invention,
One heater in the coupling region of the directional coupler is thermally adjusted relative to the other waveguide, or a heater is provided to thermally adjust two optical waveguides in the coupling region together. Features.

上記課題を解決する第4の発明に係る光トリガーパルス発生器は、
上記第1〜第3のいずれか1つの発明に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記光パケットを2つに分波する光分波器と、
分波された一方の光パケットを受光して、前記半導体光増幅器を駆動する前記回路と、
分波された他方の光パケットが入力されると共に、アノード端子に電圧が印加され、カソード端子が前記回路の出力側に接続された前記半導体光増幅器と、
一端が前記半導体光増幅器のアノード端子に接続され、他端が接地されたキャパシタと、
前記他方の光パケットの最初の光パルスが前記半導体光増幅器の前記ゲインピークに合わせて入力されるように調整された光伝送線と
を有し、
前記回路は、
分波された一方の光パケットを受光して、1つの電気パルスを生成するトリガー回路と、
ソース端子が接地され、ゲート端子が前記トリガー回路の出力側に接続され、ドレイン端子が前記半導体光増幅器の前記カソード端子に接続され、前記電気パルスが入力されるとオンになり、前記半導体光増幅器を駆動するトランジスタと、
を有する
ことを特徴とする。
An optical trigger pulse generator according to a fourth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the optical trigger pulse generator according to any one of the first to third inventions,
An optical demultiplexer for demultiplexing the optical packet into two;
Receiving one of the demultiplexed optical packets and driving the semiconductor optical amplifier; and
The semiconductor optical amplifier in which the other optical packet that has been demultiplexed is input, a voltage is applied to the anode terminal, and the cathode terminal is connected to the output side of the circuit;
A capacitor having one end connected to the anode terminal of the semiconductor optical amplifier and the other end grounded;
An optical transmission line adjusted so that a first optical pulse of the other optical packet is input in accordance with the gain peak of the semiconductor optical amplifier;
The circuit is
A trigger circuit that receives one of the demultiplexed optical packets and generates one electrical pulse;
The source terminal is grounded, the gate terminal is connected to the output side of the trigger circuit, the drain terminal is connected to the cathode terminal of the semiconductor optical amplifier, and is turned on when the electric pulse is input. A transistor for driving
It is characterized by having.

上記課題を解決する第5の発明に係るラベル処理器は、
上記第1〜第4のいずれか1つの発明に記載の光トリガーパルス発生器を用いて、前記光パケットのラベルを抽出し、識別するラベル処理を行う
ことを特徴とする。
A label processor according to a fifth invention for solving the above-described problems is as follows.
Using the optical trigger pulse generator according to any one of the first to fourth inventions, a label process for extracting and identifying the label of the optical packet is performed.

本発明によれば、光トリガーパルス発生器において、半導体光増幅器の出力側に光整流素子を追加することにより、最初の光パルス以外の光信号を減衰させた光トリガーパルスを生成することができる。また、光パケットの「1」と「0」のビットの消光比が十分でない場合でも、最初の光パルス以外の光信号を減衰させた光トリガーパルスを生成することができる。その結果、このような効果を奏する光トリガーパルス発生器及び当該光トリガーパルス発生器を用いたラベル処理器を提供することができる。   According to the present invention, in the optical trigger pulse generator, an optical trigger pulse in which an optical signal other than the first optical pulse is attenuated can be generated by adding an optical rectifying element to the output side of the semiconductor optical amplifier. . In addition, even when the extinction ratio between the “1” and “0” bits of the optical packet is not sufficient, an optical trigger pulse in which an optical signal other than the first optical pulse is attenuated can be generated. As a result, it is possible to provide an optical trigger pulse generator having such an effect and a label processor using the optical trigger pulse generator.

ラベル処理器(LP)の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of a label processor (LP). 光クロックトランジスタアレイ(OCTA)の構成を示す概略図であり、(a)は、S&Hスキームによる構成、(b)は、DoHスキームによる構成、(c)は、DB−MSMPDトリガー回路の構成である。It is the schematic which shows the structure of an optical clock transistor array (OCTA), (a) is the structure by a S & H scheme, (b) is the structure by a DoH scheme, (c) is the structure of a DB-MSMPD trigger circuit. . DoHスキームの使用の比較を示す図であり、(a)は、プラス極性を持つTL信号を利用した場合、(b)は、マイナス極性を持つTL信号を利用した場合である。It is a figure which shows the comparison of use of DoH scheme, (a) is a case where TL signal with a positive polarity is utilized, (b) is a case where TL signal with a negative polarity is utilized. (a)は、光トリガーパルス発生器(TPG)の構成を示す概略図であり、(b)は、光分波器で分離された光パケットを電力で示すグラフであり、(c)は、SOAの増幅自然放出及びSOAでの増幅後の光パケットを電力で示すグラフである。(A) is the schematic which shows the structure of an optical trigger pulse generator (TPG), (b) is a graph which shows the optical packet isolate | separated with the optical demultiplexer by electric power, (c) is It is a graph which shows the optical packet after the amplification spontaneous emission of SOA and the amplification in SOA by electric power. 光トリガーパルス発生器(TPG)の2つ目の問題を説明する図であって、消光比が十分でない場合の光トリガーパルスを、光クロックトランジスタアレイ(OCTA)のDB−MSMPDトリガー回路に入射した場合の電気信号を説明する図である。It is a figure explaining the 2nd problem of an optical trigger pulse generator (TPG), Comprising: The optical trigger pulse in case an extinction ratio is not enough was injected into DB-MSMPD trigger circuit of an optical clock transistor array (OCTA) It is a figure explaining the electric signal in a case. 本発明に係るラベル処理器(LP)の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the label processor (LP) based on this invention. 本発明に係る光トリガーパルス発生器(TPG)の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the optical trigger pulse generator (TPG) based on this invention. 光整流素子の一例を示す図であって、非線形光学物質で形成された方向性結合器を示す図である。It is a figure which shows an example of an optical rectifier, Comprising: It is a figure which shows the directional coupler formed with the nonlinear optical material. 図8に示した光整流素子の出力の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the output of the optical rectification element shown in FIG. 光トリガーパルスの整流前後を示す図である。It is a figure which shows before and after the rectification | straightening of an optical trigger pulse.

以降、図面を参照して、従来のLPの構成、動作、問題点を説明した上で、本発明に係るTPG及びLPの構成及び動作を説明する。   Hereinafter, the configuration, operation, and problems of the conventional LP will be described with reference to the drawings, and then the configuration and operation of the TPG and LP according to the present invention will be described.

本発明者等は、光パケット交換(OPS;Optical Packet Switching)として知られる光伝送スキームを有効にするため、図1に示す従来のLP20を開発した。このLP20では、プリアンブルビットを要求しないで、バーストモードの光パケット10を効率的に処理することができる。この光パケット10は、ラベル11及びペイロード12からなる。一般的に、OPS交換ノードには、マルチポートの光スイッチ40が含まれ、LP20の役割は、光スイッチ40の各入力ポートで着信する光パケット10のラベル11を抽出し、識別することである。識別されたラベル11に基づいて、電気変換なしで、光ドメインの望ましい出力ポートに光パケット10を転送できるよう光スイッチ40が設定される。   The present inventors have developed the conventional LP20 shown in FIG. 1 in order to validate an optical transmission scheme known as optical packet switching (OPS). The LP 20 can efficiently process the burst mode optical packet 10 without requiring a preamble bit. The optical packet 10 includes a label 11 and a payload 12. In general, the OPS switching node includes a multi-port optical switch 40, and the role of the LP 20 is to extract and identify the label 11 of the optical packet 10 that arrives at each input port of the optical switch 40. . Based on the identified label 11, the optical switch 40 is configured to forward the optical packet 10 to a desired output port in the optical domain without electrical conversion.

LP20は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)ベースのFPGA(Field Programmable Gate Array)からなる共有コントローラ21と、共有コントローラ21に接続されたラベル抽出器(LE;Label Extractor)22と、共有コントローラ21の前段に配置されたフォトダイオード(PD;Photodiode)29とから構成され、LE22は、光スイッチ40のチャンネル数分ある。   The LP 20 includes a shared controller 21 including a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) -based FPGA (Field Programmable Gate Array), a label extractor (LE) 22 connected to the shared controller 21, and a pre-stage of the shared controller 21. The number of LEs 22 is the same as the number of channels of the optical switch 40.

LE22の各入力ポートでは、着信した光パケット10の一部は、光分波器OD1により、LE22に振り分けられ、大部分は光スイッチ40に送出されるが、まず、ラベル処理時間の補正のためにファイバー遅延回線(FDL;Fiber Delay Line)23を通過する。従来のシリアライザ/デシリアライザ(SerDes;Serializer/Deserializer)では、光パケット10全体のビットが変換されていたが、LE22では光パケット10のラベル11だけが処理される。本発明はLP20のLE22の部分に関係する。   At each input port of the LE 22, a part of the incoming optical packet 10 is distributed to the LE 22 by the optical demultiplexer OD 1, and most of it is sent to the optical switch 40. First, for correcting the label processing time. Passes through a fiber delay line (FDL) 23. In the conventional serializer / deserializer (SerDes; Serializer / Deserializer), the bits of the entire optical packet 10 are converted, but in the LE 22, only the label 11 of the optical packet 10 is processed. The present invention relates to the LE22 portion of LP20.

ラベル11の高速ビットは、TPG25での処理後、光分波器OD2により、複数のチャンネルに並行して分割され、その速度はOCTA24で実行される直並列変換により十分に低速化され、チャンネル毎にオフチップコンパレータ28を介して、共有コントローラ21に直接ラッチする(信号保持させる)ことが可能になる。オフチップコンパレータ28では、OCTA24の各チャンネルから出力される信号のばらつきを調整している。LP20で抽出されたラベル11は、共有コントローラ21で転送テーブルから検索され、一致したものが見つかると、対応する光スイッチ40の出力ポートが取得される。この際、光パケット10は、低速応答を持つPD29へ入射されており、PD29は、光パケット10が終わらない限り、電気信号(包絡線信号)を発生している。この包絡線信号に基づいて、共有コントローラ21は、光パケット10の入射を検出できるようになる。   The high-speed bit of the label 11 is divided into a plurality of channels by the optical demultiplexer OD2 after being processed by the TPG 25, and the speed is sufficiently reduced by the serial-parallel conversion executed by the OCTA 24. In addition, the shared controller 21 can be directly latched (signal held) via the off-chip comparator 28. The off-chip comparator 28 adjusts variations in signals output from each channel of the OCTA 24. The label 11 extracted by the LP 20 is searched from the transfer table by the shared controller 21, and when a match is found, the output port of the corresponding optical switch 40 is acquired. At this time, the optical packet 10 is incident on the PD 29 having a low-speed response, and the PD 29 generates an electrical signal (envelope signal) as long as the optical packet 10 does not end. Based on the envelope signal, the shared controller 21 can detect the incidence of the optical packet 10.

プリアンブルなし光パケット10のラベル11のラベル処理を有効にするため、LE22では特別な動作メカニズムを採用しているが、そこで基本となっている2つの要素は、1)光トリガーパルスが供給されたときに動作するバーストモードの直並列変換器であるOCTA24と、2)着信した光パケット10の最初のビットを選択的に使用して、OCTA24用の同期された光トリガーパルスを生成するバーストモードのTPG25である。   In order to enable the label processing of the label 11 of the optical packet 10 without a preamble, the LE 22 adopts a special operation mechanism. The two basic elements are 1) the optical trigger pulse is supplied. OCTA 24, a burst mode serial / parallel converter that sometimes operates, and 2) a burst mode that selectively uses the first bit of the incoming optical packet 10 to generate a synchronized optical trigger pulse for OCTA 24. TPG25.

OCTA24は多数の変換チャンネルで構成される。各チャンネルには、着信した光パケット10のラベル11の特定のビットで直並列変換を行うため、1つの光トリガーパルスを供給する必要がある。TPG25によって生成される光トリガーパルスは、SPCのチャンネルと同数に光分波器OD2で分割され、分割されたそれぞれにSPCの望ましいビットの到着時間に合わせて加算された時間遅延が複数の遅延線からなる遅延線群DLにより割り当てられ、光学ヘッド27を介して、OCTA24へ結合される。OCTA24の各変換チャンネルにとっては、対応するラベルビットに合わせて、特定のタイミングで光トリガーパルスを照射する必要があり、これらのパルス群をOCTA24へ結合するために光学ヘッド27が用いられている。   The OCTA 24 is composed of a number of conversion channels. Each channel needs to be supplied with one optical trigger pulse in order to perform serial-parallel conversion with a specific bit of the label 11 of the incoming optical packet 10. The optical trigger pulse generated by the TPG 25 is divided by the optical demultiplexer OD2 into the same number as the SPC channel, and each of the divided time delays is added in accordance with the arrival time of the desired bit of the SPC. And is coupled to the OCTA 24 via the optical head 27. For each conversion channel of the OCTA 24, it is necessary to irradiate the optical trigger pulse at a specific timing according to the corresponding label bit, and the optical head 27 is used to couple these pulse groups to the OCTA 24.

光分波器OD3で分割されて、着信した光パケット10に応じて、従来のTPG25は1つの光パルスではなく、振幅の低下するいくつかの光パルスを生成する。SPCが正しく動作するように2番目の光パルスの振幅を大幅に削減するため、動作条件を最終的に調節する必要がある。また、着信した光パケット10の「1」と「0」のビットの消光比が十分でない場合、TPG25によって生成される光トリガーパルスが不完全で、SPCでの使用に適さない可能性がある。本発明は、このような問題に対処するもので、こうした欠点を解決するために、後述の光整流素子により、TPG25の出力光である光トリガーパルスのための整流が行われる。   Depending on the incoming optical packet 10 divided by the optical demultiplexer OD3, the conventional TPG 25 generates several optical pulses with reduced amplitudes instead of one optical pulse. In order to greatly reduce the amplitude of the second light pulse so that the SPC operates correctly, it is necessary to finally adjust the operating conditions. In addition, when the extinction ratio of the “1” and “0” bits of the incoming optical packet 10 is not sufficient, the optical trigger pulse generated by the TPG 25 may be incomplete and may not be suitable for use in SPC. The present invention addresses such problems, and in order to solve these drawbacks, rectification for the optical trigger pulse, which is the output light of the TPG 25, is performed by an optical rectifying element described later.

[OCTA]
ここで、OCTA24の動作メカニズムについて説明する。
[OCTA]
Here, the operation mechanism of the OCTA 24 will be described.

図2(a)、(b)に、個別の高電子移動度トランジスタ(HEMT;High Electron Mobility Transistor)Tmを通して共通伝送線TLに設置された、いくつかの直並列変換チャンネル241、242で構成されるモノリシック集積回路であるOCTA24の構成を示す。   2 (a) and 2 (b) are composed of several serial-parallel conversion channels 241 and 242 installed on a common transmission line TL through individual high electron mobility transistors (HEMTs) Tm. 1 shows a configuration of an OCTA 24 that is a monolithic integrated circuit.

図1に示すように、バーストモードのアバランシェ光検出器及びトランスインピーダンス増幅器(APD−TIA;Avalanche Photo Detector-Transimpedance Amplifier)26は、LE22の光分波器OD4で分割された光パケット10を電気信号に変換するのに使用され、この信号は後にOCTA24へ入力され、その共通伝送線TLにより伝播される。その後、これらの直並列変換チャンネル241、242を使用して、ラベル11の各ラベルビットの変換が行われる。個々の光トリガーパルスのタイミングは、共通伝送線TLに割り当てられるビットの存在に合わせて調節され、その光トリガーパルスが各直並列変換チャンネル241、242に使用されてビットの変換が行われる。   As shown in FIG. 1, an avalanche photo detector and transimpedance amplifier (APD-TIA) 26 in burst mode is an electric signal for the optical packet 10 divided by the optical demultiplexer OD 4 of the LE 22. This signal is later input to OCTA 24 and propagated by its common transmission line TL. Thereafter, conversion of each label bit of the label 11 is performed using these serial-parallel conversion channels 241 and 242. The timing of each optical trigger pulse is adjusted according to the presence of a bit assigned to the common transmission line TL, and the optical trigger pulse is used for each serial-parallel conversion channel 241 and 242 to perform bit conversion.

OCTA24が正しく動作するには、ラベル11の1つのビットのみを変換するため、高電子移動度トランジスタTmが短時間だけオンに切り替えられる必要がある。高電子移動度トランジスタTmを制御するための1つの狭い電気パルスを生成するため、図2(c)に示す、放電ベースの金属−半導体−金属光検知器(DB−MSMPD;Discharge based-Metal Semiconductor Metal Photo Detector)トリガー回路243が使用される。なお、DB−MSMPDトリガー回路243については後述する。   In order for the OCTA 24 to operate correctly, only one bit of the label 11 is converted, so the high electron mobility transistor Tm needs to be switched on for a short time. In order to generate one narrow electric pulse for controlling the high electron mobility transistor Tm, a discharge-based metal-semiconductor-metal photodetector (DB-MSMPD; Discharge based-Metal Semiconductor) shown in FIG. Metal Photo Detector) trigger circuit 243 is used. The DB-MSMPD trigger circuit 243 will be described later.

例えば、ラベル11が25Gbpsのビットで構成される場合、高電子移動度トランジスタTmを制御するために、DB−MSMPDトリガー回路243で生成される電気パルスは、40ピコ秒よりも十分に小さくなければならない。生成された電気パルスが十分に狭くない場合、OCTA24の変換チャンネルの出力が必要とされる望ましいラベルビットに対応せず、偽の出力が生成される。   For example, if the label 11 is composed of 25 Gbps bits, the electrical pulse generated by the DB-MSMPD trigger circuit 243 must be sufficiently smaller than 40 picoseconds to control the high electron mobility transistor Tm. Don't be. If the generated electrical pulse is not sufficiently narrow, the output of the OCTA 24 conversion channel does not correspond to the desired label bit required and a false output is generated.

OCTA24での直並列変換は、当初、図2(a)に示すサンプル・ホールド(S&H)スキームによって行われた。このS&Hスキームによる直並列変換チャンネル241は、共通伝送線TLにドレインが接続され、DB−MSMPDトリガー回路243にゲートが接続された高電子移動度トランジスタTmと、高電子移動度トランジスタTmのソースに一端が接続され、他端が接地されたコンデンサCholdと、高電子移動度トランジスタTmのソースに一端が接続され、他端が出力となるアンプAmpから構成されている。 The serial / parallel conversion in the OCTA 24 was initially performed by the sample and hold (S & H) scheme shown in FIG. The serial-parallel conversion channel 241 according to the S & H scheme has a high electron mobility transistor Tm having a drain connected to the common transmission line TL and a gate connected to the DB-MSMPD trigger circuit 243, and a source of the high electron mobility transistor Tm. The capacitor C hold has one end connected and the other end grounded, and an amplifier Amp having one end connected to the source of the high electron mobility transistor Tm and the other end serving as an output.

ここでは、該当するビットレベルに対応する電荷が高電子移動度トランジスタTmを通してコンデンサCholdにサンプリングされる。コンデンサCholdで発生した電圧の変化はチャンネルの出力を生成するために増幅される。このSPCスキームでは、それぞれ「1」と「0」のビットに対応する電荷のサンプルの差が十分に得られない。 Here, the charge corresponding to the corresponding bit level is sampled in the capacitor C hold through the high electron mobility transistor Tm. The change in voltage generated by capacitor C hold is amplified to produce the output of the channel. In this SPC scheme, the difference between the charge samples corresponding to the “1” and “0” bits, respectively, is not sufficient.

その理由は、Choldが充電し、「1」のビットになる場合、高電子移動度トランジスタTmのソース端子Sの電圧が増加し、オフに切り替わるためである。また、ビット電圧の一部がターンオン変換チャンネルと並行して存在する共通伝送線TLの特性インピーダンスで消失することは避けられないため、Choldの充電を効率的に行うことはできない。 The reason is that when C hold is charged and becomes a bit of “1”, the voltage of the source terminal S of the high electron mobility transistor Tm increases and switches off. Further, since it is inevitable that a part of the bit voltage disappears due to the characteristic impedance of the common transmission line TL that exists in parallel with the turn-on conversion channel, C hold cannot be charged efficiently.

そのため、S&Hスキームの代わりに、図2(b)に示す放電又は保持(DoH)スキームが使用されるようになった。このDoHスキームによる直並列変換チャンネル242は、共通伝送線TLにソースが接続され、DB−MSMPDトリガー回路243にゲートが接続された高電子移動度トランジスタTmと、高電子移動度トランジスタTmのドレインに一端が接続され、他端が接地されたコンデンサCholdと、高電子移動度トランジスタTmのドレインに一端が接続され、他端が出力となるアンプAmpと、高電子移動度トランジスタTmのドレインに一端が接続され、他端に電圧が印加される抵抗Rhighとから構成されている。 Therefore, instead of the S & H scheme, the discharge or hold (DoH) scheme shown in FIG. 2B has been used. The series-parallel conversion channel 242 according to the DoH scheme has a high electron mobility transistor Tm whose source is connected to the common transmission line TL and whose gate is connected to the DB-MSMPD trigger circuit 243, and a drain of the high electron mobility transistor Tm. One end is connected to the capacitor C hold having one end connected to the other end and the drain of the high electron mobility transistor Tm, one end connected to the drain of the high electron mobility transistor Tm, and one end connected to the drain of the high electron mobility transistor Tm. And a resistor R high to which a voltage is applied to the other end.

ここでは、最初にCholdにあった電荷は共通伝送線TLに放電されるか、変更なしで保持される。Choldの放電は充電よりも効率的に行われ、より大きな電荷の差がCholdで生成される。 Here, the charge initially in C hold is discharged to the common transmission line TL or held without change. The discharge of C hold is performed more efficiently than the charge, and a larger charge difference is generated at C hold .

DoHスキームの利点は、マイナスの電圧スパン、つまり、「1」のビットに対してマイナスの電圧、「0」のビットに対して0の電圧を持つラベル信号を使用することにより、更に高まる。   The advantage of the DoH scheme is further enhanced by using a negative voltage span, that is, a label signal having a negative voltage for a “1” bit and a voltage of 0 for a “0” bit.

図3(a)、(b)に、プラス又はマイナス極性を持つTL信号を利用したDoHスキームの使用の比較を示す。光トリガーパルスによって生成されるゲート電圧信号VGSを実線のパルスで示す。ゲート電圧信号VGSが閾値の電圧Vthを超えて高電子移動度トランジスタTmがオンになると、ドレイン端子Dとソース端子Sの間のバイアス電圧ΔVDSは、図3(a)に示すプラス極性の場合と比較して、図3(b)に示すマイナス極性の場合では明らかに高くなる。 FIGS. 3A and 3B show a comparison of the use of the DoH scheme using a TL signal having a positive or negative polarity. The gate voltage signal V GS generated by the light trigger pulse is indicated by a solid line pulse. When the gate voltage signal V GS exceeds the threshold voltage V th and the high electron mobility transistor Tm is turned on, the bias voltage ΔV DS between the drain terminal D and the source terminal S has a positive polarity shown in FIG. Compared with the case of FIG. 3, the case of negative polarity shown in FIG.

マイナス極性の場合、これにより、高いバイアス電圧ΔVDSで有効化された高い電流を持つCholdをより効率的に放電することが可能になる。また、光トリガーパルスのエネルギーが削減された場合、それに対応して、点線のパルスで示すようにゲート電圧信号VGSの電気パルスの振幅も削減される。ゲート電圧信号VGSがこのように削減されても、バイアス電圧ΔVDSの値が最初に高ければ、光トリガーエネルギーが削減されていないプラス極性の場合と同様に効率的な変換が行える。なお、図3(a)、(b)において、VDはドレイン端子の電圧、VSはソース端子の電圧、ΔVSはソース端子における電圧スパンである。 In the case of negative polarity, this makes it possible to discharge the C hold with a high current enabled with a high bias voltage ΔV DS more efficiently. Further, when the energy of the light trigger pulse is reduced, the amplitude of the electric pulse of the gate voltage signal V GS is also correspondingly reduced as shown by the dotted line pulse. Even if the gate voltage signal V GS is reduced in this way, if the value of the bias voltage ΔV DS is initially high, efficient conversion can be performed as in the case of positive polarity in which the light trigger energy is not reduced. In FIGS. 3A and 3B, V D is a voltage at the drain terminal, V S is a voltage at the source terminal, and ΔV S is a voltage span at the source terminal.

[OCTAのDB−MSMPDトリガー回路]
次に、DB−MSMPDトリガー回路243について説明する。
[OCTA DB-MSMPD trigger circuit]
Next, the DB-MSMPD trigger circuit 243 will be described.

図2(c)に示したDB−MSMPDトリガー回路243は、光トリガーパルスが入射されると、正出力側に正の電気パルスを出力し、負出力側に負の電気パルスを出力するMSM−PDと、MSM−PDの正出力側に一端が取り付けられ、他端が接地された抵抗Rbiasと、MSM−PDの正出力側に一端が取り付けられ、他端に電圧が印加される抵抗Rbiasと、MSM−PDの負出力側に一端が取り付けられ、他端に電圧Vinが印加される抵抗Rinと、MSM−PDの負出力側に一端が取り付けられ、他端が接地されたキャパシタCinとを有している。MSM−PDの正出力側が高電子移動度トランジスタTmのゲートに接続される。 When the optical trigger pulse is incident, the DB-MSMPD trigger circuit 243 shown in FIG. 2C outputs a positive electric pulse on the positive output side, and outputs a negative electric pulse on the negative output side. A resistor R bias having one end attached to the PD and the positive output side of the MSM-PD and the other end grounded, and a resistor R bias having one end attached to the positive output side of the MSM-PD and a voltage applied to the other end and bias, one end attached to the negative output side of the MSM-PD, a resistor R in the voltage V in applied to the other end, one end attached to the negative output side of the MSM-PD, the other end of which is grounded and a capacitor C in. The positive output side of the MSM-PD is connected to the gate of the high electron mobility transistor Tm.

この放電ベースのDB−MSMPDトリガー回路243は、バーストモード装置の基本要素で、光トリガーパルスを高電子移動度トランジスタTmのゲート端子Gの制御が可能な狭い電気パルスに変換するために使用される。このDB−MSMPDトリガー回路243には、製造に適した表面構造を持つMSM−PDを利用している。PIN(Positive-Intrinsic-Negative)光検出器の場合は反応がRC時定数によって制限されるが、MSM−PDの場合は立ち上がり時間が非常に高速で、この制限となるのは非常に低いキャパシタンスによる電子走行時間のみである。   The discharge-based DB-MSMPD trigger circuit 243 is a basic element of the burst mode device and is used to convert the optical trigger pulse into a narrow electric pulse capable of controlling the gate terminal G of the high electron mobility transistor Tm. . The DB-MSMPD trigger circuit 243 uses MSM-PD having a surface structure suitable for manufacturing. In the case of PIN (Positive-Intrinsic-Negative) photodetectors, the reaction is limited by the RC time constant, but in the case of MSM-PD, the rise time is very fast and this limitation is due to the very low capacitance. Only electronic travel time.

しかし、MSM−PDの反応はホールの低い移動度によりテールが長くなる。そのため、MSM−PDで十分に狭い電気パルスを生成するために、放電ベースのものが使用される。DB−MSMPDトリガー回路243の入力コンデンサCinは最初から充電しており、高いバイアス電圧を維持している。次に、MSM−PDに光パルスが入射すると、光電流が発生する。抵抗Rinが高いために入力電圧Vinにより対応する電流を投入することができず、入力コンデンサCinが放電され、結果的にバイアス電圧が低下する。MSM−PDの重要な1つの特徴は、バイアス電圧がないため、キャリアが存在する場合でも電流が流れることができないことである。 However, the MSM-PD reaction has a long tail due to the low mobility of holes. Therefore, a discharge-based one is used to generate a sufficiently narrow electric pulse in MSM-PD. The input capacitor C in of the DB-MSMPD trigger circuit 243 is charged from the beginning, and maintains a high bias voltage. Next, when a light pulse enters the MSM-PD, a photocurrent is generated. Resistor R in can not be put corresponding current by the input voltage V in to high, the input capacitor C in is discharged, resulting in the bias voltage is lowered. One important feature of MSM-PD is that no current can flow even when carriers are present because there is no bias voltage.

DB−MSMPDトリガー回路243に複数の光トリガーパルスが連続的に供給される場合、最初の光パルスは入力コンデンサCinのキャリアを空乏化し、その後の光パルスの影響を排除するのに十分なエネルギーを持っている必要がある。この完全な空乏状態でのみ、DB−MSMPDトリガー回路243はSPCで求められる十分に振幅の狭い1つの電気パルスを生成することができる。 If multiple optical trigger pulse to the DB-MSM-PD trigger circuit 243 is continuously supplied, the first light pulse is depleted turned into a carrier of the input capacitor C in, sufficient energy to eliminate the influence of subsequent light pulses It is necessary to have. Only in this completely depleted state, the DB-MSMPD trigger circuit 243 can generate one electric pulse having a sufficiently narrow amplitude required by SPC.

入力コンデンサCinを完全な空乏状態にするためには、光トリガーパルスのための十分な振幅を得るための高い消費電力が間接的に求められる。例えば、光トリガーパルスの生成にEDFAの使用が必要である場合、光パケット10の到着時にのみ使用される場合でも、EDFAによりエネルギーが継続的に消費される。電力効率の高い動作を可能にするため、後述するように、発明者等の従来のTPG25では、光パケットの到着時にのみエネルギーを消費させ、それ以外の時はエネルギーを消費しない半導体光増幅器(SOA;Semiconductor Optical Amplifier)を使用している。 To the input capacitor C in the full depletion state, high power consumption in order to obtain a sufficient amplitude for optical trigger pulse is determined indirectly. For example, when it is necessary to use an EDFA to generate an optical trigger pulse, energy is continuously consumed by the EDFA even when it is used only when the optical packet 10 arrives. In order to enable power-efficient operation, as will be described later, in the conventional TPG 25 of the inventors, a semiconductor optical amplifier (SOA) that consumes energy only when an optical packet arrives and does not consume energy at other times. ; Semiconductor Optical Amplifier) is used.

このTPG25は、光トリガーパルスにおいて、最初の光パルスと比べて振幅の小さい2番目のパルスを生成するが、最初のパルスと2番目の光パルスの差を最大にすることは有益であり、これに取り組む必要がある。   The TPG 25 generates a second pulse with a smaller amplitude than the first optical pulse in the optical trigger pulse, but it is beneficial to maximize the difference between the first and second optical pulses. It is necessary to work on.

[従来のTPG]
次に、従来のTPG25について説明する。
[Conventional TPG]
Next, the conventional TPG 25 will be described.

TPG25は、SOAを使用して、着信した光パケット10の最初のビットを選択的に増幅することにより、光トリガーパルスを生成する。光トリガーパルスは、もともと着信した光パケット10の一部であったため、生成される光トリガーパルスも同期されたトリガーであり、OCTA24への適用時にジッターのない直並列変換が行える。   The TPG 25 generates an optical trigger pulse by selectively amplifying the first bit of the incoming optical packet 10 using the SOA. Since the optical trigger pulse was originally a part of the incoming optical packet 10, the generated optical trigger pulse is also a synchronized trigger and can be subjected to serial-parallel conversion without jitter when applied to the OCTA 24.

図4(a)に、ピーク電流が高く(>600mA)、振幅の狭い電気パルス(1nsまで)を生成するよう開発されたSOAドライバーの光電子集積回路(OEIC;Opto-Electronic Integrated Circuit)であるSOAドライバーOEIC251を示す。SOAドライバーOEIC251は、上述したDB−MSMPDトリガー回路243と同等の構成のDB−MSMPDトリガー回路252と、DB−MSMPDトリガー回路252の出力側に接続されたパルス形状変更器Modと、パルス形状変更器Modの出力側にゲート端子が接続され、ソース端子が接地され、電気パルスが入力されるとオンになる高電子移動度トランジスタTrとを有している。   FIG. 4 (a) shows a SOA driver opto-electronic integrated circuit (OEIC) SOA that has been developed to generate electrical pulses with high peak current (> 600 mA) and narrow amplitude (up to 1 ns). The driver OEIC 251 is shown. The SOA driver OEIC 251 includes a DB-MSMPD trigger circuit 252 having the same configuration as the DB-MSMPD trigger circuit 243 described above, a pulse shape changer Mod connected to the output side of the DB-MSMPD trigger circuit 252, and a pulse shape changer A gate terminal is connected to the output side of Mod, a source terminal is grounded, and a high electron mobility transistor Tr is turned on when an electric pulse is input.

また、SOA253では、そのカソード端子に、インダクタLを介して、高電子移動度トランジスタTrのドレイン端子が接続されており、そのアノード端子には、電圧Vhighが印加されると共に、コンデンサCsの一端が接続されており、このコンデンサCsの他端は接地されている。SOA253は、高電子移動度トランジスタTrがオンになると、着信した光パケット10を増幅することになる。 In the SOA 253, the drain terminal of the high electron mobility transistor Tr is connected to the cathode terminal via the inductor L, and the voltage V high is applied to the anode terminal of the capacitor C s . one end is connected, the other end of the capacitor C s is grounded. The SOA 253 amplifies the incoming optical packet 10 when the high electron mobility transistor Tr is turned on.

光分波器OD5では、光パケット10を2つに分波し、そのうちの一方をSOAドライバーOEIC251のDB−MSMPDトリガー回路252へ入射し、そのうちの他方をSOA253へ入射している。そして、SOAドライバーOEIC251では、1つの電気パルスを生成するため、着信した光パケット10から光分波器OD5により分離された一部(図4(b)参照)が、SOAドライバーOEIC251にあるDB−MSMPDトリガー回路252に入射される。ここで生成された電気パルスは、高電流が一時的にSOA253に流れるように高電子移動度トランジスタTrをオンにするために使用される。   The optical demultiplexer OD5 demultiplexes the optical packet 10 into two, one of which enters the DB-MSMPD trigger circuit 252 of the SOA driver OEIC 251 and the other of which enters the SOA 253. In the SOA driver OEIC 251, a part (see FIG. 4 (b)) separated from the incoming optical packet 10 by the optical demultiplexer OD 5 is generated in order to generate one electric pulse. The light enters the MSMPD trigger circuit 252. The electric pulse generated here is used to turn on the high electron mobility transistor Tr so that a high current temporarily flows through the SOA 253.

図4(c)の点線の曲線はSOA253の規格化された増幅自然放出(ASE;Amplified Spontaneous Emission)を示しているが、これは光入力の供給なしで、SOAドライバーOEIC251の電気パルスがSOA253に使用される場合のゲインプロファイルに対応している。SOA253に到着する光パケット10はゲインピークに近くなるように、例えば、光伝送線254でおおまかに調整される。このとき、光パケット10の最初の光パルスがゲインピークに合うように調整することが望ましい。これにより、光パケット10の最初の光パルスは大幅に増幅され、SOA253に蓄積されたキャリアを消失させ、ゲインの欠落により、その後の光パルスを徐々に消滅させる(図4(c)の実線)。SOA253の電力消費は、光パケット10の到着後の短時間に制限され、TPG25の消費電力を大幅に削減することができる。   The dotted curve in FIG. 4 (c) shows the normalized amplified spontaneous emission (ASE) of the SOA 253, which means that the electric pulse of the SOA driver OEIC 251 is applied to the SOA 253 without supplying optical input. It corresponds to the gain profile when used. For example, the optical packet 10 arriving at the SOA 253 is roughly adjusted by the optical transmission line 254 so as to be close to the gain peak. At this time, it is desirable to adjust so that the first optical pulse of the optical packet 10 matches the gain peak. Thereby, the first optical pulse of the optical packet 10 is greatly amplified, the carriers accumulated in the SOA 253 are lost, and the subsequent optical pulse is gradually extinguished due to the lack of gain (solid line in FIG. 4C). . The power consumption of the SOA 253 is limited to a short time after the arrival of the optical packet 10, and the power consumption of the TPG 25 can be greatly reduced.

混乱を避けるために強調しておくが、OCTA24で使用されるDB−MSMPDトリガー回路243とTPG25の入力段階で使用されるDB−MSMPDトリガー回路252は、使用目的が異なるため、異なるパラメーターを使用して設計されている。   To avoid confusion, the DB-MSMPD trigger circuit 243 used in the OCTA 24 and the DB-MSMPD trigger circuit 252 used in the input stage of the TPG 25 use different parameters because they have different purposes. Designed.

OCTA24の各チャンネルのDB−MSMPDトリガー回路243はピコ秒の間に1つの電気パルスを生成する必要があり、OCTA24の全てのチャンネルに使用される光トリガーパルスは同じTPG25によって生成されるため、OCTA24の各チャンネルでDB−MSMPDトリガー回路243を動作させるのに必要なトリガーエネルギーを最小限に抑えることが強く求められる。   Since the DB-MSMPD trigger circuit 243 of each channel of the OCTA 24 needs to generate one electric pulse during picoseconds, and the optical trigger pulses used for all the channels of the OCTA 24 are generated by the same TPG 25, the OCTA 24 There is a strong demand to minimize the trigger energy required to operate the DB-MSMPD trigger circuit 243 in each channel.

それに対して、TPG25のDB−MSMPDトリガー回路252は、より余裕のある間隔(数百ピコ秒からナノ秒)で電気パルスを生成することが求められ、入力された光パケット10から分離された一部によってトリガーされる。   On the other hand, the DB-MSMPD trigger circuit 252 of the TPG 25 is required to generate electrical pulses at a more generous interval (several hundred picoseconds to nanoseconds) and is separated from the input optical packet 10. Triggered by the department.

[従来の光トリガーパルスでの問題点]
次に、従来の光トリガーパルスでの問題について説明する。
[Problems with conventional optical trigger pulses]
Next, a problem with the conventional optical trigger pulse will be described.

上記のDB−MSMPDトリガー回路243の説明で述べたように、OCTA24のチャンネルをトリガーするのに使用される光トリガーパルスが複数の光パルスで構成される場合、最初の光パルスと2番目の光パルスの差を最大化する必要がある。   As described in the description of the DB-MSMPD trigger circuit 243 above, when the optical trigger pulse used to trigger the channel of the OCTA 24 is composed of a plurality of optical pulses, the first optical pulse and the second optical pulse are used. The pulse difference needs to be maximized.

TPG25によって生成される最初の光パルスと2番目の光パルスの差を直接増加させる方法は、SOA253のゲインが存在する時間を短縮することであるが、後述するようにこれを達成することは難しい。SOAドライバーOEIC251はSOA253で高電流を瞬時に通す必要があり、SOAドライバーOEIC251とSOA253が非常に近い場所に配置されている場合でも、SOA253のゲインのための非常に高速な立ち上がり時間を維持するには、これらの間の配線のインダクタンスを非常に低く抑える必要がある。   A method of directly increasing the difference between the first optical pulse and the second optical pulse generated by the TPG 25 is to shorten the time during which the gain of the SOA 253 exists, but this is difficult to achieve as will be described later. . The SOA driver OEIC 251 needs to pass high current instantaneously in the SOA 253, and maintains a very fast rise time for the gain of the SOA 253 even when the SOA drivers OEIC 251 and the SOA 253 are located very close to each other. Therefore, it is necessary to keep the inductance of the wiring between them very low.

そのため、立ち上がり時間が改善されるかどうかは、物理的制限が解決されるかどうかによって決まるが、立ち下がり時間はSOA253でのキャリアの再結合の速度によって制御される。SOA253の長さを長くすると、SOA253のキャパシタンスが増加する代わりに、入力光信号によるゲインの消失効果も増加する。そのため、SOA253の一時的なゲインプロファイルとSOA253で伝播される最初の光パルスの増幅はトレードオフの関係となる。   Therefore, whether the rise time is improved depends on whether the physical limitation is solved, but the fall time is controlled by the rate of carrier recombination in the SOA 253. Increasing the length of the SOA 253 increases the gain disappearance effect due to the input optical signal instead of increasing the capacitance of the SOA 253. Therefore, the temporary gain profile of the SOA 253 and the amplification of the first optical pulse propagated by the SOA 253 have a trade-off relationship.

それに対して、SOA253の一時的なゲインプロファイルを低減すると、光パケット10の最初のビットとSOAドライバーOEIC251の電気パルスの時間調整が難しくなる。TPG25の反応を向上させるためには、これらの難しい条件が前提となるため、代わりに、TPG25の出力を整流することが望ましい。   On the other hand, if the temporary gain profile of the SOA 253 is reduced, it becomes difficult to adjust the time of the first bit of the optical packet 10 and the electrical pulse of the SOA driver OEIC 251. In order to improve the reaction of TPG25, these difficult conditions are presupposed, so that it is desirable to rectify the output of TPG25 instead.

TPG25の反応に関する2つ目の問題を図5に示す。ここでは、着信した光パケット10の「1」と「0」のビットの間の消光比が十分でない場合(低ERパケットの場合)と消光比が十分ある場合(高ERパケットの場合)とを示す。   The second problem regarding the reaction of TPG25 is shown in FIG. Here, the case where the extinction ratio between the “1” and “0” bits of the incoming optical packet 10 is not sufficient (in the case of a low ER packet) and the case where the extinction ratio is sufficient (in the case of a high ER packet). Show.

高ERパケットの場合、DB−MSMPDトリガー回路243において、最初の光パルスがMSM−PDに到着すると、最初の光パルスによって、コンデンサCinの電荷Qhighが略完全に空乏となるため、ノードGでの電気信号は、望ましい波形となる。 In the case of a high ER packet, in the DB-MSMPD trigger circuit 243, when the first optical pulse arrives at the MSM-PD, the charge Q high of the capacitor C in is almost completely depleted by the first optical pulse. The electrical signal at has a desired waveform.

一方、低ERパケットの場合、最初の光パルスの前に発生するSOA253の出力が大幅に増加するため、DB−MSMPDトリガー回路243において、最初の光パルスが到着する前にMSM−PDを通して、コンデンサCinの電荷Qhighの一部が漏れる。この状態では、電荷Qhighの漏れの発生によってMSM−PD端子全体のバイアスがすでに低下しているため、最初の光パルスがMSM−PDに到着した時点で十分に大きな振幅を持つ電気出力を生成することができず、ノードGでの電気信号は、不完全な波形となる。この状態を防止するためにも、TPG25の出力を整流することが望ましい。 On the other hand, in the case of a low ER packet, since the output of the SOA 253 generated before the first optical pulse is significantly increased, the DB-MSMPD trigger circuit 243 passes the capacitor through the MSM-PD before the first optical pulse arrives. A part of the charge Q high of C in leaks. In this state, since the bias of the entire MSM-PD terminal has already decreased due to the occurrence of leakage of charge Q high , an electrical output having a sufficiently large amplitude is generated when the first optical pulse arrives at the MSM-PD. The electrical signal at node G has an incomplete waveform. In order to prevent this state, it is desirable to rectify the output of the TPG 25.

[TPG出力信号の調整]
次に、TPG出力信号の調整について説明する。
[Adjustment of TPG output signal]
Next, adjustment of the TPG output signal will be described.

上記の欠点を解決するため、本発明では、TPG25にあるSOA253の出力側に光整流素子(光閾値素子)52を追加している。つまり、図6、図7に示すように、本発明のTPG51は、従来のTPG25と、TPG25のSOA253の出力側に接続された光整流素子52とから構成されている。なお、図6、図7において、図1、図4に示した構成と同等の構成については同じ符号を付しており、ここでは、重複する説明は省略する。このような構成とすることにより、TPG25で生成される光トリガーパルスを整流している。この光整流素子52は、予め設定した所定の閾値Pthより高い振幅(エネルギー)を持つ、TPG25で生成された最初の光パルスを通過させ、振幅(エネルギー)が閾値Pthに達していない他の光信号(光パルス又は雑音)をブロックする機能を有している。 In order to solve the above drawbacks, in the present invention, an optical rectifying element (optical threshold element) 52 is added to the output side of the SOA 253 in the TPG 25. That is, as shown in FIGS. 6 and 7, the TPG 51 of the present invention includes a conventional TPG 25 and an optical rectifying element 52 connected to the output side of the SOA 253 of the TPG 25. 6 and 7, the same reference numerals are given to the same components as those shown in FIGS. 1 and 4, and a duplicate description is omitted here. With such a configuration, the optical trigger pulse generated by the TPG 25 is rectified. The optical rectifying element 52 passes the first optical pulse generated by the TPG 25 having an amplitude (energy) higher than a predetermined threshold P th set in advance, and the amplitude (energy) does not reach the threshold P th. The optical signal (light pulse or noise) is blocked.

挿入損失の低い光整流素子52を実現することは、SPCの動作にとって有益であるが、このような装置の実現は容易ではない。ここでは、考えられるいくつかの実現方法のうち、図8に示すように、非線形光学物質522で形成された方向性結合器521を使用する。非線形光学物質522としては、非線形の屈折率による自己位相変調(例えば、カー効果など)が大きい材料であれば何でも良いが、例えば、非特許文献4に挙げたポリマー導波路などが良い。   Realizing the optical rectifying element 52 with low insertion loss is beneficial to the operation of the SPC, but it is not easy to realize such a device. Here, among several possible realization methods, as shown in FIG. 8, a directional coupler 521 formed of a nonlinear optical material 522 is used. The nonlinear optical material 522 may be any material as long as it has a large self-phase modulation (for example, Kerr effect) due to a nonlinear refractive index. For example, a polymer waveguide described in Non-Patent Document 4 is preferable.

ここでは、2つの光導波路W1、W2が同じ基板上にモノリシックに集積された方向性結合器521の使用を検討する。望ましい長さLeについては、2つの光導波路W1、W2間の結合されたモード励起が有効になるようにし、2つの光導波路W1、W2の間のギャップGaを小さくする。現在の製造プロセスでは、数十ナノメートル程度の小さなギャップGaを容易に作製することができる。   Here, the use of a directional coupler 521 in which two optical waveguides W1 and W2 are monolithically integrated on the same substrate will be considered. For the desired length Le, coupled mode excitation between the two optical waveguides W1, W2 is enabled, and the gap Ga between the two optical waveguides W1, W2 is reduced. In the current manufacturing process, a small gap Ga of about several tens of nanometers can be easily manufactured.

2つの光導波路W1、W2の間の相互作用長には、伝播する光の強度によって屈折率が変化する非線形光学物質522を含める必要がある。発明者等の従来のTPG25では、6.4pJを上回る光トリガーパルスを生成でき、各チャンネル用に約0.4pJの光パルスを必要とする16チャンネルのOCTA24をトリガーすることができる。そのため、TPG25によって生成されるメインの光パルスのエネルギー量は、非線形光学物質522の屈折率の大きな変化を生むのに十分である。   The interaction length between the two optical waveguides W1 and W2 needs to include a nonlinear optical material 522 whose refractive index changes depending on the intensity of propagating light. The inventors' conventional TPG 25 can generate optical trigger pulses exceeding 6.4 pJ and can trigger 16 channels of OCTA 24 that require approximately 0.4 pJ optical pulses for each channel. Therefore, the amount of energy of the main light pulse generated by the TPG 25 is sufficient to cause a large change in the refractive index of the nonlinear optical material 522.

非線形光学物質522の方向性結合器521の光パルスの伝播のための答えを求めるには、非特許文献2、非特許文献5に示した以下の式を解く必要がある。なお、光導波路内の伝播損失を説明するため、非特許文献2、非特許文献5で検討された損失のない理想的な条件に損失パラメーターαが追加されている。装置の動作は主に自己位相の変調期間Q(z)に基づいているため、相互位相の変調期間は無視される。下記式において、zはモードの伝搬方向、A1は一方の光導波路の伝搬方向の関数としてのモードプロファイル、A2は他方の光導波路の伝搬方向の関数としてのモードプロファイル、κは2つの光導波路間の結合係数である。 In order to obtain an answer for the propagation of the optical pulse of the directional coupler 521 of the nonlinear optical material 522, it is necessary to solve the following equations shown in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 5. In order to explain the propagation loss in the optical waveguide, the loss parameter α is added to the ideal condition without loss studied in Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 5. Since the operation of the device is mainly based on the self-phase modulation period Q (z), the cross-phase modulation period is ignored. In the following equation, z is the mode propagation direction, A 1 is the mode profile as a function of the propagation direction of one optical waveguide, A 2 is the mode profile as a function of the propagation direction of the other optical waveguide, and κ is the two light beams. This is the coupling coefficient between the waveguides.

Figure 2018205550
Figure 2018205550

図9に、適切に設計した場合に光整流素子52で発生しうる出力の例を示す。ここでは、図8に示すように、TPG25のSOA253からの出力が光導波路W1の入力ポートと結合されていることを考慮しており、光導波路W1の入力ポートに入力された光パルスのエネルギー(パワー)が低いと、出力ポートOP1への透過率が低くなると共に出力ポートOP2への透過率が高くなり、一方、光パルスのエネルギー(パワー)が高いと、出力ポートOP1への透過率が高くなると共に出力ポートOP2への透過率が低なる。つまり、入力された光パルスのエネルギー(パワー)に応じて、入力された光パルスを出力ポートOP1へ転送したり、出力ポートOP2へ転送したりすることになる(転送機能)。このような転送機能に従って、閾値Pthを十分に超えるエネルギー(パワー)を持つ光パルスが光導波路W1の出力ポートOP1に転送(透過)される。TPG25で生成された光トリガーパルスの他の部分は、光信号の一部が出力ポートOP2にも転送されるため、出力ポートOP1から見ると損失の対象となる。このように、光整流素子52は、高いエネルギーの光パルスの伝送を選択的に可能にする転送機能を有している。 FIG. 9 shows an example of an output that can be generated by the optical rectifying element 52 when appropriately designed. Here, as shown in FIG. 8, it is considered that the output from the SOA 253 of the TPG 25 is coupled with the input port of the optical waveguide W1, and the energy of the optical pulse input to the input port of the optical waveguide W1 ( If the power is low, the transmittance to the output port OP1 is low and the transmittance to the output port OP2 is high. On the other hand, if the energy (power) of the optical pulse is high, the transmittance to the output port OP1 is high. And the transmittance to the output port OP2 is low. That is, according to the energy (power) of the input optical pulse, the input optical pulse is transferred to the output port OP1 or transferred to the output port OP2 (transfer function). According to such a transfer function, an optical pulse having energy (power) sufficiently exceeding the threshold P th is transferred (transmitted) to the output port OP1 of the optical waveguide W1. The other part of the optical trigger pulse generated by the TPG 25 is subject to loss when viewed from the output port OP1 because a part of the optical signal is also transferred to the output port OP2. As described above, the optical rectifying element 52 has a transfer function that selectively enables transmission of a high-energy light pulse.

不十分な消光比の光パケット10を使用して、TPG25で生成された光トリガーパルスの整流前と整流後を図10に示す。点線が整流前であり、実線が整流後である。ここでは、最初の光パルスの前に生成された光信号は、着信した光パケット10の不十分な消光比のために大きく(最大10db以上)減少する。2番目の光パルスは振幅の減少が少ないが、整流前より数db削減されており、最初の光パルスとの差は大きくなっている。   FIG. 10 shows before and after rectification of the optical trigger pulse generated by the TPG 25 using the optical packet 10 having an insufficient extinction ratio. The dotted line is before rectification, and the solid line is after rectification. Here, the optical signal generated before the first optical pulse is greatly reduced (up to 10 db or more) due to an insufficient extinction ratio of the incoming optical packet 10. The second optical pulse has a small decrease in amplitude, but is reduced by several db from before the rectification, and the difference from the first optical pulse is large.

なお、光整流素子52の設計の柔軟性を高めるため、方向性結合器521の結合領域に屈折率の微調整機能を追加しても良い。これにより、閾値Pthの精密な制御や転送機能の厳格な管理が可能になる。光導波路W1、W2の温度を、一緒に又は相対的に変化させるために、例えば、非特許文献3に記載されているように、光導波路W1、W2の付近に、又は、光導波路W1、W2のいずれか一方の付近に、マイクロヒータ523を追加しても良い。 In order to increase the design flexibility of the optical rectifying element 52, a fine adjustment function of the refractive index may be added to the coupling region of the directional coupler 521. This enables precise control of the threshold value P th and strict management of the transfer function. In order to change the temperature of the optical waveguides W1 and W2 together or relatively, for example, as described in Non-Patent Document 3, in the vicinity of the optical waveguides W1 and W2 or the optical waveguides W1 and W2 A micro heater 523 may be added in the vicinity of either one of the above.

本発明は、光トリガーパルス発生器及びそれを用いた光パケット交換のためのラベル処理器に好適なものである。   The present invention is suitable for an optical trigger pulse generator and a label processor for optical packet switching using the optical trigger pulse generator.

10 光パケット
11 ラベル
21 共有コントローラ
22 ラベル抽出器(LE)
23 ファイバー遅延回線(FDL)
24 光クロックトランジスタアレイ(OCTA)
25 光トリガーパルス発生器(TPG)
26 バーストモードAPD−TIA
40 光スイッチ
50 ラベル処理器
51 光トリガーパルス発生器(TPG)
52 光整流素子
10 Optical packet 11 Label 21 Shared controller 22 Label extractor (LE)
23 Fiber Delay Line (FDL)
24 Optical clock transistor array (OCTA)
25 Optical trigger pulse generator (TPG)
26 Burst Mode APD-TIA
40 Optical switch 50 Label processor 51 Optical trigger pulse generator (TPG)
52 Optical rectifier

Claims (5)

半導体光増幅器と前記半導体光増幅器を駆動する回路とを用いて、着信した光パケットの最初の光パルスを、前記半導体光増幅器のゲインピークに合わせて増幅して、光トリガーパルスを生成する光トリガーパルス発生器において、
所定の閾値より高いエネルギーを持つ前記最初の光パルスを通過させると共に、前記所定の閾値に達していないエネルギーを持つ光信号をブロックする光整流素子を、前記半導体光増幅器の出力側に接続した
ことを特徴とする光トリガーパルス発生器。
An optical trigger that generates an optical trigger pulse by amplifying an initial optical pulse of an incoming optical packet in accordance with a gain peak of the semiconductor optical amplifier using a semiconductor optical amplifier and a circuit that drives the semiconductor optical amplifier In the pulse generator,
An optical rectifying element that passes the first optical pulse having an energy higher than a predetermined threshold and blocks an optical signal having an energy not reaching the predetermined threshold is connected to the output side of the semiconductor optical amplifier. An optical trigger pulse generator characterized by
請求項1に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記光整流素子は、非線形光学物質で形成された方向性結合器からなり、前記所定の閾値より高いエネルギーを持つ前記最初の光パルスを一方の出力ポートへ出力すると共に、前記所定の閾値に達していないエネルギーを持つ光信号を他方の出力ポートへ出力する
ことを特徴とする光トリガーパルス発生器。
The optical trigger pulse generator according to claim 1.
The optical rectifier element is composed of a directional coupler formed of a nonlinear optical material, and outputs the first optical pulse having energy higher than the predetermined threshold to one output port, and reaches the predetermined threshold. An optical trigger pulse generator that outputs an optical signal having a non-energy to the other output port.
請求項2に記載の光トリガーパルス発生器において、
前記方向性結合器の結合領域における一方の光導波路を他方の光導波路と相対的に熱調整するか、又は、前記結合領域における2本の光導波路を一緒に熱調整するヒータを設けた
ことを特徴とする光トリガーパルス発生器。
The optical trigger pulse generator according to claim 2,
One heater in the coupling region of the directional coupler is thermally adjusted relative to the other waveguide, or a heater is provided to thermally adjust two optical waveguides in the coupling region together. Features an optical trigger pulse generator.
請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の光トリガーパルス発生器において、
前記光パケットを2つに分波する光分波器と、
分波された一方の光パケットを受光して、前記半導体光増幅器を駆動する前記回路と、
分波された他方の光パケットが入力されると共に、アノード端子に電圧が印加され、カソード端子が前記回路の出力側に接続された前記半導体光増幅器と、
一端が前記半導体光増幅器のアノード端子に接続され、他端が接地されたキャパシタと、
前記他方の光パケットの最初の光パルスが前記半導体光増幅器の前記ゲインピークに合わせて入力されるように調整された光伝送線と
を有し、
前記回路は、
分波された一方の光パケットを受光して、1つの電気パルスを生成するトリガー回路と、
ソース端子が接地され、ゲート端子が前記トリガー回路の出力側に接続され、ドレイン端子が前記半導体光増幅器の前記カソード端子に接続され、前記電気パルスが入力されるとオンになり、前記半導体光増幅器を駆動するトランジスタと、
を有する
ことを特徴とする光トリガーパルス発生器。
In the optical trigger pulse generator according to any one of claims 1 to 3,
An optical demultiplexer for demultiplexing the optical packet into two;
Receiving one of the demultiplexed optical packets and driving the semiconductor optical amplifier; and
The semiconductor optical amplifier in which the other optical packet that has been demultiplexed is input, a voltage is applied to the anode terminal, and the cathode terminal is connected to the output side of the circuit;
A capacitor having one end connected to the anode terminal of the semiconductor optical amplifier and the other end grounded;
An optical transmission line adjusted so that a first optical pulse of the other optical packet is input in accordance with the gain peak of the semiconductor optical amplifier;
The circuit is
A trigger circuit that receives one of the demultiplexed optical packets and generates one electrical pulse;
The source terminal is grounded, the gate terminal is connected to the output side of the trigger circuit, the drain terminal is connected to the cathode terminal of the semiconductor optical amplifier, and is turned on when the electric pulse is input. A transistor for driving
An optical trigger pulse generator comprising:
請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の光トリガーパルス発生器を用いて、前記光パケットのラベルを抽出し、識別するラベル処理を行う
ことを特徴とするラベル処理器。
A label processor for extracting and identifying a label of the optical packet by using the optical trigger pulse generator according to any one of claims 1 to 4.
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