博 士 論 文 概 要

早稲田大学大学院 基幹理工学研究科

博 士 論 文 概 要

論 文 題 目

可変分散補償デバイスと光 OFDM 伝送 による光ファイバ通信における

高スペクトル利用効率化に関する研究

Study on Higher Spectral Efficient Optical Fiber Communication

by Tunable Dispersion Compensation Device and Optical OFDM Transmission

Technologies

申 請 者

髙橋 英憲

Hidenori TAKAHASHI

平 成 ２ ３ 年 １ ２ 月

No. 1

本 論 文 は 波 長 分 割 多 重（W D M）を 用 い た 超 高 速 光 フ ァ イ バ 通 信 技 術 を 実 現 す る た め の 高 周 波 数 利 用 効 率 伝 送 技 術 に 関 す る 研 究 成 果 を 詳 述 し た 技 術 論 文 で あ る 。 石 英 光 導 波 回 路 を 用 い た リ ン グ 共 振 器 型 可 変 分 散 補 償 デ バ イ ス で は 、 新 た に 帯 域 利 用 効 率 を 拡 大 す る 手 法 を 提 案 し 、 そ の 効 果 を 実 証 し た 。 ま た 、 光 直 交 周 波 数 分 割 多 重（ 光 O F D M）伝 送 技 術 を 用 い た 周 波 数 利 用 効 率 向 上 手 法 に 関 し て は 、W D M の 波 長 間 隔 を 狭 め る こ と に よ り 、 周 波 数 利 用 効 率 を 向 上 可 能 で あ る こ と を 実 証 し た 。ま た バ ン ド 多 重 に よ る マ ル チ バ ン ド 光 O F D M 伝 送 方 式 に よ り 、E D FA の み で 中 継 さ れ た 標 準 S M F 伝 送 路 で の W D M 信 号 1 チ ャ ネ ル 当 た り 4 0 0 G b i t / s の 信 号 伝 送 に お い て は 、 世 界 最 高 の 周 波 数 利 用 効 率 で あ る 8 b i t / s / H z を 実 証 し た 。

大 容 量 光 伝 送 技 術 に 対 す る 需 要 は 増 加 の 一 途 を た ど っ て い る が 、 光 フ ァ イ バ 及 び 光 中 継 器 で あ る エ ル ビ ウ ム 添 加 フ ァ イ バ 増 幅 器( E D FA )の 長 距 離 伝 送 可 能 な 帯 域 は 限 定 さ れ て い る た め 、 そ の 動 作 帯 域 を 有 効 利 用 す る 技 術 が 求 め ら れ て い る 。 光 伝 送 シ ス テ ム は 、 光 学 的 な ア ナ ロ グ 部 品 の 他 、 送 受 信 器 に 具 備 さ れ る デ ジ タ ル 信 号 処 理 に よ り 構 成 さ れ る た め 、 光 学 部 品 の 光 学 的 な 帯 域 利 用 効 率 を 向 上 さ せ る 方 法 、 及 び デ ジ タ ル 信 号 処 理 を 用 い て 周 波 数 当 た り の 情 報 量 を 増 加 さ せ る 周 波 数 利 用 効 率 の 向 上 が 必 要 で あ る 。 本 論 文 で は 、2 つ の 側 面 か ら 周 波 数 利 用 効 率 向 上 に つ い て 検 討 を 行 う 。 ま ず 、 光 フ ァ イ バ の 波 長 に 応 じ て 光 波 の 伝 搬 速 度 が 異 な る 現 象 で あ る 波 長 分 散 の 補 償 を 光 学 的 に 行 う 石 英 光 導 波 回 路 を 用 い た 可 変 分 散 補 償 デ バ イ ス に 着 目 し 、 そ の 帯 域 利 用 効 率 の 向 上 手 法 に つ い て 述 べ る 。 ま た 、 送 受 信 の 変 調 方 式 の 観 点 か ら 、 デ ジ タ ル 信 号 処 理 に よ る W D M に お け る 周 波 数 利 用 効 率 の 向 上 と し て 、 光 直 交 周 波 数 分 割 多 重 （ 光 O F D M） 伝 送 技 術 に 着 目 し て 述 べ る 。

現 在 、 光 ネ ッ ト ワ ー ク の ト ラ フ ィ ッ ク 増 加 へ の 対 策 と し て 、 光 フ ァ イ バ 伝 送 シ ス テ ム を 増 設 す る こ と で 対 応 す る こ と が 考 え ら れ る が 、 光 フ ァ イ バ を 新 た に 敷 設 す る こ と は 高 コ ス ト で あ り 、 既 に 敷 設 さ れ て い る 光 フ ァ イ バ の 伝 送 容 量 を 増 加 さ せ る た め の 技 術 が 求 め ら れ て い る 。そ の 一 つ と し て 、W D M１ チ ャ ネ ル 当 た り の 伝 送 速 度 を 増 加 さ せ る こ と に よ り 、 光 フ ァ イ バ 1 本 当 た り の 伝 送 容 量 を 増 加 さ せ る 方 法 が あ る 。 し か し な が ら 、1 チ ャ ネ ル 当 た り の 伝 送 速 度 を 増 加 さ せ る と 、 波 長 分 散 の 影 響 を 大 き く 受 け る た め 、 気 温 変 化 等 に 応 じ て 波 長 分 散 の 補 償 を 微 調 整 す る 必 要 が あ る こ と や 、 光 フ ァ イ バ 伝 送 路 の 支 障 移 転 の 際 に フ ァ イ バ の 長 さ が 変 わ る た め 、 必 要 と な る 分 散 補 償 量 が 変 化 す る 。 よ っ て 通 常 は 分 散 補 償 量 の 異 な る 分 散 補 償 フ ァ イ バ （D C F） の メ ニ ュ ー を 多 数 有 し て お き 、 状 況 に 応 じ て 交 換 す る な ど の 処 置 が と ら れ る が 、 在 庫 の 問 題 や 経 時 変 化 に 対 応 で き な い 問 題 が あ っ た 。 こ れ に 対 し 、 分 散 補 償 量 を 可 変 と で き る 可 変 分 散 補 償 デ バ イ ス が 提 案 さ れ て い る 。 小 型 の 分 散 補 償 デ バ イ ス 1 個 で 、 多 数 の D C F メ ニ ュ ー を 置 き 換 え る こ と が 可 能 と な り 、 且 つ 経 時 変 化 に 応 答 す る こ と が 可 能 と な る 。 し か し な が ら 、 波 長 分 散 の

本 質 は 、 異 な る 波 長 を 有 す る 光 波 の 伝 搬 時 間 差 で あ る た め 、 即 ち そ の 時 間 差 を 模 擬 す る 必 要 が あ る 。W D M 1 チ ャ ネ ル の 帯 域 内 に 生 じ る 程 度 の 時 間 差 で あ れ ば 、 小 型 の デ バ イ ス で 模 擬 で き る も の の 、 数 1 0 n m も の 広 い 帯 域 に 生 じ る 時 間 差 を 一 度 に 模 擬 す る こ と は 不 可 能 で あ る 。 こ の 課 題 を 解 決 す る た め 、W D M チ ャ ネ ル 毎 に 時 間 差 を 与 え て 補 償 す る 手 法 が 提 案 さ れ て い る 。 即 ち W D M チ ャ ネ ル 間 の ガ ー ド バ ン ド に お い て 、 与 え た 群 遅 延 時 間 差 分 を 戻 す こ と で 、 実 質 的 に 各 W D M チ ャ ネ ル に 求 め ら れ る 分 散 補 償 量 を 付 与 で き る 。 よ っ て 本 手 法 を 用 い る 場 合 、W D M チ ャ ネ ル 間 隔 の う ち 、 ガ ー ド バ ン ド を 除 い た 作 帯 域 を 広 げ る こ と で 、 よ り 広 帯 域 な 信 号 に 対 応 す る こ と が で き る 。 本 論 文 で は 、 第 2 章 か ら 第 5 章 に か け て 、 石 英 光 導 波 回 路 に よ り 構 成 さ れ る リ ン グ 共 振 器 型 可 変 分 散 補 償 デ バ イ ス に つ い て 述 べ 、 そ の W D M チ ャ ネ ル 間 隔 に 対 す る 動 作 帯 域 の 拡 大 、 即 ち 帯 域 利 用 効 率 を 向 上 さ せ る 手 法 に つ い て 述 べ る 。

第 2 章 で は 、 リ ン グ 共 振 器 型 可 変 分 散 補 償 デ バ イ ス の 基 本 構 成 及 び 基 本 動 作 に つ い て 述 べ る 。 リ ン グ 共 振 器 型 デ バ イ ス は 、 オ ー ル パ ス 型 の リ ン グ 共 振 器 を 基 本 原 理 と し て お り 、無 限 イ ン パ ル ス 応 答( I I R )フ ィ ル タ で あ る 。よ っ て 原 理 的 に は パ ワ ー ス ペ ク ト ル に は 変 化 は な く 、 群 遅 延 特 性 に お い て 、 共 振 周 波 数 に お い て 大 き な 群 遅 延 の 山 が 生 じ る（ 群 遅 延 ピ ー ク ）。こ の リ ン グ 共 振 器 へ の 結 合 量 を 、マ ッ ハ ・ ツ ェ ン ダ 干 渉 系 （M Z I） を 用 い て 可 変 と す る こ と で 、 群 遅 延 ピ ー ク の フ ィ ネ ス を 変 更 さ せ る こ と が で き 、 す な わ ち 群 遅 延 量 を 変 化 さ せ る こ と が 可 能 と な る 。 さ ら に 、 複 数 の リ ン グ 共 振 器 を カ ス ケ ー ド 接 続 し 、 各 リ ン グ 共 振 器 の フ ィ ネ ス を 制 御 し た 上 で 合 成 す る と 、 の こ ぎ り の 刃 状 の 群 遅 延 特 性 を 形 成 で き る 。 こ の 刃 の 部 分 を W D M チ ャ ネ ル の 信 号 の 帯 域 の 合 わ せ る こ と で 、 各 W D M チ ャ ネ ル の 分 散 を 補 償 す る こ と が 可 能 と な る 。

第 3 章 で は 、 リ ン グ 共 振 器 型 可 変 分 散 補 償 デ バ イ ス の 偏 波 無 依 存 化 に つ い て 述 べ る 。 リ ン グ 共 振 器 型 可 変 分 散 補 償 デ バ イ ス は 石 英 光 導 波 回 路 を 用 い て 作 製 さ れ る が 、 製 造 時 の 応 力 に よ り 、 導 波 路 断 面 の 縦 方 向 及 び 横 方 向 で 屈 折 率 が 異 な る 現 象 が 発 生 す る 。 こ れ に よ り 強 い 偏 波 依 存 性 が 生 じ る こ と が 通 常 で あ る 。 一 方 、 応 力 等 が 無 い 状 態 で も 、 導 波 路 の 断 面 形 状 を 制 御 す る こ と で 、 導 波 路 の 縦 方 向 及 び 横 方 向 に 屈 折 率 差 を 与 え る こ と が 可 能 で あ る 。 本 手 法 を 用 い て 、 応 力 に よ っ て 生 じ た 屈 折 率 差 を 補 償 し 、 偏 波 無 依 存 化 す る 手 法 に つ い て 述 べ る 。

第 4 章 で は 、 リ ン グ 共 振 器 の フ ィ ー ド バ ッ ク ル ー プ に 損 失 を 考 慮 し 、 そ の 振 る 舞 い に つ い て 解 析 及 び 実 験 結 果 を 用 い て 述 べ る 。 反 転 し た 負 の 群 遅 延 ピ ー ク が 生 じ る こ と を 解 析 及 び 実 験 的 に 述 べ る 。

No. 3

第 5 章 で は 、 第 4 章 で 述 べ た 負 の 群 遅 延 ピ ー ク を 用 い て 、 リ ン グ 共 振 器 型 可 変 分 散 補 償 デ バ イ ス の 動 作 帯 域 を 拡 大 し 、 帯 域 利 用 効 率 を 向 上 さ せ る 方 法 に つ い て 述 べ る 。 正 の リ ン グ 共 振 器 を カ ス ケ ー ド 接 続 し て 動 作 帯 域 を 拡 大 す る よ り も 、 よ り 少 な い 数 の リ ン グ 共 振 器 数 で 拡 大 で き る こ と を 解 析 的 及 び 実 験 的 に 示 す 。 ま た 本 方 式 に よ り 拡 大 さ れ た 動 作 帯 域 の 効 果 を 、 伝 送 実 験 を 行 う こ と に よ っ て 示 す 。

第 ６ 章 で は 、 デ ジ タ ル 信 号 処 理 に よ る 波 長 分 割 多 重 伝 送 方 式 に お け る 周 波 数 の 利 用 効 率 向 上 法 と し て 、 光 直 交 周 波 数 分 割 多 重 （ 光 O F D M） 伝 送 方 式 に つ い て 述 べ る 。光 O F D M 変 調 方 式 を 用 い た W D M チ ャ ネ ル の 間 隔 を ク ロ ス ト ー ク 少 な く 隣 接 さ せ る こ と に よ り 、 周 波 数 利 用 効 率 を 向 上 さ せ る 方 法 に つ い て 示 す 。 サ ブ キ ャ リ ア 数 を 制 御 す る こ と に よ り 、 隣 接 す る W D M チ ャ ネ ル と の ク ロ ス ト ー ク を 減 少 さ せ る こ と が 可 能 で あ る こ と を 数 値 解 析 を 用 い て 解 説 す る 。 本 方 式 を 用 い て 、 サ ブ キ ャ リ ア 変 調 を 3 2 - Q A M と し た 周 波 数 利 用 効 率 7 b i t / s / H z の 条 件 で 、 実 際 に 2 4 0 k m の 標 準 シ ン グ ル モ ー ド フ ァ イ バ を 用 い た 長 距 離 伝 送 実 験 に つ い て 説 明 す る 。本 実 験 で 達 成 さ れ た 周 波 数 利 用 効 率 7 b i t / s / H z は 、2 0 0 9年 3 月 時 点 に お け る 、 W D M 1 チ ャ ネ ル 当 た り 4 0 G b i t / s 以 上 の 高 速 伝 送 技 術 分 野 に お い て 、 世 界 最 高 の 値 で あ る 。 本 章 で は そ の 実 験 詳 細 に つ い て 述 べ る 。

第 ７ 章 で は 、 マ ル チ バ ン ド 光 O F D M 伝 送 技 術 を 用 い て 、1 波 長 か ら 4 0 0 G b i t / s の 信 号 を 生 成 し 、E D FA の み で 中 継 さ れ た 標 準 S M F 伝 送 路 を 8 0 k m 伝 送 し た 結 果 に つ い て 述 べ る 。4 0 0 G b i t / s 信 号 を 5 0 G H z 間 隔 で W D M 伝 送 し た こ と に よ り 、 周 波 数 利 用 効 率 は 8 b i t / s / H z で あ る 。E D FA の み で 中 継 さ れ た 標 準 S M F 伝 送 路 で の W D M 信 号 1 チ ャ ネ ル 当 た り 4 0 0 G b i t / s の 信 号 伝 送 に お い て は 、 世 界 最 高 の 周 波 数 利 用 効 率 で あ る 。 本 章 で は そ の 実 験 詳 細 に つ い て 説 明 す る 。

第 8 章 に 結 論 を 述 べ 、 本 論 文 を 総 括 す る 。

Ｎｏ.1

早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書

氏 名 髙橋 英憲 印

（２０１１年１２月 現在）

種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）

論文

論文

論文

レター

レター

国際会議

国際会議

○題名：Expansion of Bandwidth of Tunable Dispersion Compensator Based on Ring Resonators Utilizing Negative Group Delay

掲載誌名：IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 24, pp. 2276-2286, June 2006.

発行年月：2006年6月

連名者：H. Takahashi, R. Inohara, K. Nishimura, and M. Usami

○題名：Highly Spectrally Efficient DWDM Transmission at 7.0 bit/s/Hz using 8 x 65.1-Gbit/s Coherent PDM-OFDM

掲載誌名：IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 28, pp. 406-414, Feb. 2010.

発行年月：2010年2月

連名者：H. Takahashi, A. A. Amin, S. L. Jansen, I. Morita and H. Tanaka

○題名：The Evaluation for Required Bit Resolution of Digital-Analog-Converter in Optical OFDM Signal Generation

掲 載 誌 名 ： IEICE TRANSACTIONS on Communications Vol.E94-B, No.2 pp.425-429.

発行年月：2011年2月

連名者：H. Takahashi, I. Morita and H. Tanaka

○題名：Expansion of compensation bandwidth of tunable dispersion compensator based on ring resonators

掲載誌名：IEE Electronics Letters, vol. 40, pp. 1014-1016, Aug. 2004.

発行年月：2004年8月

連名者：H. Takahashi, R. Inohara, M. Hattori, K. Nishimura, and M. Usami

○題名：Analysis of Negative Group Delay Response of All-pass Ring Resonator with Mach-Zehnder Interferometer

掲載誌名：IEEE Photonics Technology Letters, vol. 16, pp. 2063-2065, Sept. 2004.

発行年月：2004年9月

連名者：H. Takahashi, P. Carlsson, K. Nishimura, and M. Usami

○題名：Tunable Chromatic Dispersion Compensator Utilizing Silica Waveguide Ring Resonator Having Mach-Zehnder Interferometric Variable Coupler Eliminating Crossing Point of Waveguides

発表：Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society (LEOS2002), Glasgow, Paper ThE4, pp. 665-666.

発表年月：2002年11月

連名者：H. Takahashi, K. Nishimura, and M. Usami

○題名：+/–1350 ps/nm Tuning Demonstration of Tunable Chromatic Dispersion Compensator Based on Silica Waveguide Ring Resonator with Symmetric MZI Coupler

発表：Integrated Photonics Research (IPR2003), Washington, DC, Paper MC4, pp. 29-31.

発表年月：2003年6月

Ｎｏ.2

早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書

種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）

国際会議

国際会議

国際会議

国際会議

国際会議 (Invited)

国際会議

国際会議

○題名：Expansion of Passband of Tunable Chromatic Dispersion Compensator Based on Ring Resonators Using Negative Group Delay Peak

発表：Optical Fiber Communication Conference (OFC2004), Los Angeles, CA, Paper WK2.

発表年月：2004年2月

連名者：H. Takahashi, P. Carlsson, K. Nishimura, and M. Usami

○題名：8x66.8-Gbit/s Coherent PDM-OFDM Transmission over 640 km of SSMF at 5.6-bit/s/Hz Spectral Efficiency

発表：European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC2008), Brussels, Belgium, post deadline paper, Th.3.E.4.

発表年月：2008年9月

連名者：H. Takahashi, A. A. Amin, S. L. Jansen, I. Morita and H. Tanaka

○題名：Comparison between Single-band and Multi-band Optical OFDM at 120-Gb/s 発表：The 7th International Conference on Optical Internet (COIN2008), C-16-PM2-2

(Best paper award) 発表年月：2008年11月

連名者：H. Takahashi, S. L. Jansen, A. A. Amin, I. Morita and H. Tanaka

○ 題 名 ：DWDM Transmission with 7.0-bit/s/Hz Spectral Efficiency using 8x65.1-Gbit/s Coherent PDM-OFDM Signals

発表：The Optical Fiber Communication Conference and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC2009), San Diego, CA, Paper PDPB7.

発表年月：2009年3月

連名者：H. Takahashi, A. A. Amin, S. L. Jansen, I. Morita and H. Tanaka

○題名：Coherent OFDM Transmission with High Spectral Efficiency

発表：European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC2009), Vienna, Austria, Paper 1.3.3.

発表年月：2009年9月

連名者：H. Takahashi, A. A. Amin, S. L. Jansen, I. Morita and H. Tanaka

○題名：Required Resolution of Digital-Analog-Converter for Optical OFDM

発表：The Optical Fiber Communication Conference and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC2010), San Diego, CA, Paper JThA4.

発表年月：2010年3月

連名者：H. Takahashi, A. A. Amin, S. L. Jansen, I. Morita and H. Tanaka

○題名：Impact of Inter-Channel Crosstalk in Coherent PDM-OFDM Long-Haul Transmission with High Spectral Efficiency

発表：The Optoelectronics and Communications Conference (OECC2010), 8B3-2 発表年月：2010年7月

連名者：H. Takahashi, I. Morita and H. Tanaka

Ｎｏ.3

早稲田大学 博士（工学） 学位申請 研究業績書

種 類 別 題名、 発表・発行掲載誌名、 発表・発行年月、 連名者（申請者含む）

国際会議

国際会議

国際会議 (Invited)

国際会議 (Invited)

国際会議 (Invited)

国際会議

国際会議 (Invited)

○題名：400-Gbit/s Optical OFDM Transmission over 80 km in 50-GHz Frequency Grid

発表：European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC2010), Torino, Italy, Tu.3.C.1

発表年月：2010年9月

連名者：H. Takahashi, K. Takeshima, I. Morita and H. Tanaka

○題名：The Impact of the Combined 8-QAM and QPSK Subcarrier Modulation for Coherent Optical OFDM

発表：The Optical Fiber Communication Conference and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC2011), Los Angeles, CA, Paper JWA30.

発表年月：2011年3月

連名者：H. Takahashi, I. Morita and H. Tanaka

○題名：Optical OFDM Transmission with High Spectral Efficiency

発表：The Optoelectronics and Communications Conference (OECC2011), Kaohsiung, Taiwan, 8D2-1

発表年月：2011年7月

連名者：H. Takahashi, W. R. Peng, I. Morita and H. Tanaka

○題名：Optical OFDM Transmission for Higher Spectral Efficiency 発表：CLEO Pacific Rim 2011, Sydney, Australia

発表年月：2011年8月 連名者：H. Takahashi

○題名：Optical OFDM Transmission with High Spectral Efficiency

発表：International Symposium on Ultrafast Photonic Technologies (ISUPT2011) 発表年月：2011年9月

連名者：H. Takahashi

○題名：7 x 463-Gbit/s Optical OFDM transmission at 100-GHz WDM spacing over 960 km of SSMF with EDFA-only Amplification

発表：European Conference and Exhibition on Optical Communication (ECOC2011), Geneva, Switzerland, Th.11.B.6

発表年月：2011年9月

連名者：H. Takahashi, W. R. Peng, I. Morita and H. Tanaka

○題名：Optical OFDM Transmission with High Spectral Efficiency 発表：IEEE Photonics Conference (IPC11), Arlington, VA, TuN4.

発表年月：2011年10月 連名者：H. Takahashi

2012年 2月 3日 大学院理工学術院長 殿

(To: Senior Dean of FSE)

専攻主任氏名(Name of Head of Dept.) 小山 泰正 印(seal) 主査氏名(Name of principal referee) 宇髙 勝之 印(^seal) 学位申請者氏名(Name of Applicant) 髙橋 英憲 印(^seal)

博士学位論文題目変更届(Change of Thesis Theme)

以下のとおり変更いたしましたので、よろしくお願いします

(Please find herein below the original thesis theme and the revised one)

□和文題目(theme in JP) 旧）(original)

可変分散補償デバイスと光OFDM伝送による光ファイバ通信における高スペクトル 利用効率化に関する研究

新）(revised)

可変分散補償デバイスと光直交周波数分割多重伝送による光ファイバ通信における 高スペクトル利用効率化に関する研究

□英文題目(theme in ENG) 旧）(original)

Study on Higher Spectral Efficient Optical Fiber Communication by Tunable Dispersion Compensation Device and Optical OFDM Transmission Technologies

新）(revised)

Study on Higher Spectral Efficiency in Optical Fiber Communication by Tunable Dispersion-Compensation Device and Optical Orthogonal Frequency-Division-Multiplexing Transmission

以 上 提出先：理工学術院統合事務所 教学支援課 博士論文担当(submitted to Dr thesis Team of Kyogaku shienka