米乐m6官方网站【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）超高速光信号处理器件研究实验室光子学技术研究部实验室主任石川宏【主任：渡边正信】土田秀美等高级研究人员开发了一种可以通过光控制光相位的全新原理的超高速全光器件，并开发了干涉仪型开关模块使用该模块将超高速光信号从 160 Gb/s 转换为 10 Gb/s。时分复用分离操作（DEMUX 操作）成功。
该研究成果的详细内容将于9月4日在北海道工业大学和柏林举行的日本应用物理学会学术会议上公布。欧洲光通信会议(ECOC2007) 上宣布。
图1干涉仪型超高速光开关模块
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图2时分复用/解复用操作的波形 |
近年来，随着宽带的普及，信息通信量迅速增加，同时网络设备的功耗也迅速增加。到目前为止，对于每通道传输速率为10Gb/s或40Gb/s的信号，波分复用波分复用（WDM）已被用来增加通信网络的容量，并且为了进一步增加容量，正在对通过单一波长传输超高速信号进行研究。这允许使用更少的波长发送大量信息，并有望降低信息和通信设备的功耗。然而，由于没有可以处理 100 Gb/s 或更高的超高速信号的电子电路，因此需要光时分复用 (OTDM) 方法，该方法在光域中复用光信号，而不将其转换为电信号。为此，希望能够实现能够用光控制光的超高速光开关。
如果使用超高速光开关实现超高速通信系统，则可以无时间延迟地发送和接收高清运动图像等大量信息，并且有望应用于视频会议和图像信息的传播。
在AIST，使用InGaAs/AlAs/AlAsSb半导体材料系统的超薄膜量子阱子带间过渡在这个过程中，我们与国立信息通信技术研究所合作，发现了一种新原理，称为光的相位调制效应。到目前为止，我们已经证明可以使用利用这种效应的光开关以超高速控制光的相位。该效应可以在约1皮秒的超高速区域中几乎无损失地控制光的相位，因此有望得到广泛的应用，并被认为有助于超高速光通信技术的进步。这次，我们利用这种光的相位调制效应开发了干涉仪型开关模块，旨在实现超高速光开关。
这项研究是独立行政机构新能源产业技术综合开发机构（以下简称“NEDO”）2006年成果传播项目的一部分。
利用光控制光相位的半导体元件
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| 图3由于光和光的相位调制而导致的材料折射率的变化 |
我们将解释一种利用照射光并控制另一光相位的效果的新元件。
如果我们可以通过用光照射材料来控制其折射率，那么我们就可以控制穿过该材料的其他光的相位（图 3）。改变折射率会改变光穿过材料所需的时间，从而改变光的相位。如果我们能够控制光的相位，我们就可以实现多种处理光信号的装置。皮秒 (10-12秒）的响应速度用光控制折射率，就可以创建高性能的超高速光开关。然而，传统的半导体器件总是具有慢时间响应成分（约1纳秒），因此不可能纯粹以皮秒范围内的超快响应控制折射率。
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| 图 4 由于光和光的相位调制而导致的材料折射率的变化 |
通过使用光改变材料的折射率并控制在该材料内以超高速传播的另一种光的相位，可以使用量子阱中发现的子带间跃迁（ISBT）。图 4 显示了子带间过渡元件的功能。被元素吸收TM 极化被应用时，它穿过该元素而不被吸收TE 极化被显着调制。当光的相位被调制时，光的波长会发生变化，图 5 显示了 TE 偏振光的光谱，表明已经应用了相位调制。从相位调制量来看，由于激发光引起的折射率变化为 2 x 10-3 。这无法用传统物理学来解释（见注释）
(注)物质的吸收系数与折射率之间存在因果关系。克莱默斯-克罗尼格关系，吸收系数和折射率不是相互独立的。在子带间跃迁中，TM偏振激发光改变TM偏振光的吸收系数，并相应地改变TM偏振光的折射率。但这种现象只发生在TM偏振光上；原则上，TE偏振光的折射率不应该改变，因此不能用常规机制来解释。
分析结果，这种现象是由于TM偏振激发光导致量子阱各能级的电子密度发生变化造成的，而且，在各能级，能带的非抛物线性电子的有效质量(有效电子重量)不同，所以对应电子密度和有效质量等离子效应而变化。这是一种以前未知的机制（图 6）。请注意，要发生这种效应，电子的有效质量必须很小，而在当前的半导体材料中，这种效应仅在 InGaAs/AlAs/AlAsSb 基量子阱中可见。
图 5。用重复宽度为 26 ps 的 10 Gb/s 脉冲激励时的 TE 偏振光谱。可以确认由相位调制引起的波长变化。
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图 6量子阱的能量图。当激发光将电子分布到具有不同电子重量的水平时，等离子体效应发生变化并且折射率发生变化。
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利用相位调制效应的干涉仪式全光开关模块
子带间过渡元件中看到的全光相位调制效应是一种有吸引力的效应，允许使用半导体器件实现超高速、无损、纯光相位调制。通过将该元件的全光相位调制效果与干涉仪相结合，可以构建超高速全光开关模块。新开发的干涉仪型模块的结构图如图7所示，照片如图1所示。将产生全光相位调制效应的子带间过渡元件插入马赫-曾德干涉仪的一个臂中。用于引起折射率变化的TM偏振激发光（波长1560 nm）是重复的10 GHz脉冲光，该光通过偏振分束器入射到元件上。另一方面，相位调制的TE偏振信号光（波长1541nm）是比特率为160Gb/s的光时分复用信号，被均分为两路，然后再次叠加。由于仅分离出的信号光之一的相位被子带间过渡元件调制，因此当两个信号光叠加时，它们的相位会存在差异。叠加时，如果光强度加强，就会发出信号光，但如果相位差相互抵消，就不会发出信号光。如果干涉仪调整得当，只有10GHz泵浦光和160Gb/s信号光重叠的地方才会输出信号光，从而可以从TE偏振160Gb/s时分复用信号中提取出10Gb/s信号。
使用该干涉仪模块进行从160Gb/s到10Gb/s时分复用时的波形如图2开头所示。另外，单独的 10Gb/s 信号误码率的测量结果。背靠背表示时分复用前的误码率。虽然接收功率随着解复用信号的增加而增加，但当泵浦光能量为7pJ时，误码率为10-11以下这说明通过增加接收功率可以无限降低误码率。该状态表示为已实现无代码错误的操作。
如上所述，我们成功地进行时分复用和解复用，从160Gb/s超高速光信号中提取出无码错误的10Gb/s信号。目前，需要约7 pJ（10 GHz重复频率下为70 mW）的光脉冲能量才能实现具有足够性能的解复用操作，但如果设计优化的量子阱结构，则预计光相位调制所需的能量将减少到其一小部分，从而形成低能量运行且插入损耗低的超高速全光开关模块。
图7干涉仪型开关模块配置图
HWP 使用半波片来控制光的偏振程度。此外，PZT 是一种通过少量电力移动镜子，对光相位进行微小调整的元件。
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图 8 解复用操作 (DEMUX) 从 160Gb/s 到 10Gb/s 的误码率
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我们发现了一种全新的全光相位调制效应，并利用它实现了低插入损耗的超高速全光开关模块。目前，开关模块是使用空间光学构建的，但在2007年启动的新NEDO项目“下一代高效网络设备技术开发”中，我们正在通过与硅细线波导的混合集成来开发超紧凑、高性能开关，目标是实现紧凑的160 Gb/s光收发器。这款紧凑型收发器的目标是无时间延迟地传输高清图像。
这种相位调制效应不仅可以用作干涉仪型强度开关，还可以用作将光强度调制转换为光相位调制的元件，并且有望应用于利用光相位调制和光多级传输技术的传输。另外，由于等离子体效应而产生的相位调制的频带很宽，还可以用于波长转换。我们相信这是一项重大成就，将为超高速光信号处理技术带来突破。