40
Gbps光波長多重伝送システム
40-Gbps Dense Wavelength Division Multiplexing Transmission
System
あ ら ま し 富士通テレコムネットワークス（FTN）では，国内通信キャリアに向けた光伝送システ ムを開発，供給している。このたび，FTNでは国内通信キャリア向けに世界初のRZ-DQPSK変調方式を採用した40 Gbps光波長多重伝送（DWDM）システムを開発した。この DWDMシステムは最大40本の40 Gbps（STM256）信号（合計1.6 Tbps）を光ファイバ1本 に多重し伝送することができる。 本稿では，40 Gbpsの光信号をDWDMシステムに多重した場合の技術課題と解決策， 40 Gbpsの各種光変調方式の特徴およびRZ-DQPSK変調方式の優位性について説明する。 AbstractFujitsu Telecom Networks develops and supplies optical transmission systems for domestic telecommunications carriers. It has recently developed the world’s first 40-Gbps dense wavelength division multiplexing (DWDM) transmission system using the return-to-zero differential quaternary phase shift keying (RZ-DQPSK) modulation format for Japanese telecommunications carriers. This system can multiplex and transmit up to forty 40-Gbps (STM256) signals (total: 1.6 Tbps) over one optical fiber. In this paper, we explain the technical problems and solutions for multiplexing 40-Gbps optical signals on a DWDM system, discuss the characteristics of various optical modulation formats, and show the superiority of RZ-DQPSK. 和仁一夫（わに かずお） 富士通テレコムネットワークス （株）プロダクト開発センター 所属 現在，国内向けDWDMシステムの 開発に従事。 小野 威（おの たけし） 富士通テレコムネットワークス （株）プロダクト開発センター 所属 現在，国内向けDWDMシステムの 開発に従事。
40 Gbps光波長多重伝送システム
ま え が き 光波長多重伝送（DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing）システムは，光ファイバ を使用した通信技術の一つで波長の違う複数の光信 号を同時に多重伝送することで光ファイバを効率的 に使用できる伝送システムである。 通信キャリアがサービスする伝送品目は今まで 10 Gbpsが最大速度であったが，近年ルータなどの 性能アップに伴い40 Gbpsインタフェースを具備す るようになっており，40 Gbpsを長距離伝送する DWDMシステムの要求が高まっている。 光ファイバで信号を伝送する場合，信号速度が高 速になるほど伝送できる距離は短くなる。これは， 光ファイバが持つ非線形と呼ばれる特性によって伝 送波形が歪ゆがめられるためで，この伝送波形の歪み は光の信号対雑音比（OSNR），波長分散，偏波分 散（PMD）などの各種耐力劣化の要因となり，長 距離伝送を妨げる。そのため，10 Gbpsを伝送する 場合には無視できた非線形のパラメタが40 Gbpsを 伝送する場合には無視できなくなる。 一方，通信キャリアでは10 Gbps DWDMシステ ムで既に構築された局配置や保守体系があるため， 10 Gbps DWDMシステムと同等の局配置が可能な 同等の伝送性能を持つ40 Gbps DWDMシステムが 望まれていた。このため，富士通テレコムネット ワークスでは，10 Gbpsと40 Gbpsの速度差による 課題を新規技術で解決し，既存の10 Gbps DWDM シ ス テ ム と 同 等 の 伝 送 距 離 を 実 現 し た40 Gbps DWDMシステムの開発を行った。 システム概要 本システムは，伝送容量40 Gbps（STM-256）お よび10 Gbps（STM-64，10 GbE）のデジタル信号 （10 Gbps収容の場合は4本を多重して43 Gbpsとし て伝送される）を収容し，伝送速度が43 Gbpsの OTU3信号を最大40波多重/分離し，光増幅中継に より長距離伝送を行う。 本システムは，以下の四つの要素から構成される （図-1）。 （1） 波長多重装置（WDM-MUX） 本装置は， ・高速光インタフェース（TXP/RXP）機能部（以 下，トラポン部） ・波長合分波（O-MUX/DMUX）機能部（以下， コア部） から構成され，それぞれ独立した監視制御機能部 を有する。 トラポン部は，クライアント装置からのワイドバ ンド光信号を波長多重可能なナローバンド光信号 へ変換する。10 Gbps信号を収容の場合は信号線 4本の信号を43 GbpsのOTU3信号にビット多重/分 NE-OpS サーバ 監視制御 機能部 高速光 インタ フェース 機能部 波長多重装置(WDM-MUX) 監視制御機 能部 ｸﾗｲｱﾝﾄ ｲﾝﾀﾌｪｰｽ 機能部 光増幅機能部 中間中継装置 波長 合分波 機能部 情報転送網 (DCN) NE-OpS サーバ HMI端末 CIT 局間 ファイバ ケーブル 波長多重装置(WDM-MUX) 波長 合分波 機能部 CIT 監視制御 機能部 監視制御 機能部 監視制御 機能部 遠隔 CIT CIT 中間中継装置（REP） データ通信ネットワーク 簡易制御端末（CIT） 簡易制御端末（CIT） 簡易制御端末（CIT） 監視制御装置（NE-OpS） TXP TXP RXP RXP (O-MUX/ DMUX) (O-MUX/ DMUX) (EDFA) 局間 ファイバ ケーブル 外部 端局装置 接続点 40 Gbps または 10 Gbps×4本 を最大40本接続 最大 1.6 Tbpsの WDM光信号 最大 1.6 Tbpsの WDM光信号 外部 端局装置 接続点 40 Gbps または 10 Gbps×4本 を最大40本接続 高速光 機能部 インタ フェース 図-1 40 Gbps DWDMシステム構成 Fig.1-40 Gbps DWDM system configuration.40 Gbps光波長多重伝送システム
離し，長距離伝送に適したRZ-DQPSK変復調，個 別分散補償，FECによるエラー訂正を行う。 コア部は，トラポン部からの43 GbpsOTU3信 号を40本分光波長多重/分離する。 監視制御機能部は，監視制御装置とLAN（Local Area Network）を介して接続し，トラポン部およ びコア部の制御/状態収集を行う。 （2） 中間中継装置（REP） 43 GbpsのOTU3信号を40波多重したWDM光信 号を増幅する光増幅機能部，監視制御機能部から構 成される。光増幅機能部はEDFA（Erbium Doped optical Fiber Amplifier）およびラマンアンプを実装し， 光信号を光信号のままで再生中継する。 監視制御機能部は，監視制御装置とLANを介し て接続し，光増幅機能部の制御/状態収集を行う。 （3） 監視制御装置（NE-OpS） NE-OpSサーバ，ユーザ（HMI）端末から構成 され，複数の波長多重化装置，中間中継装置の運用 制御・監視制御を行う。 （4） 簡易制御端末（CITおよび遠隔CIT） 局舎に設置されている装置に直接接続されるロー カル端末で波長多重化装置，中間中継装置の開通時 設定制御，運用制御，監視制御を行う。一部機能を ネットワーク経由で遠隔で実現する機能も有する。 40 Gbps伝送の技術課題 本システムにおいて，10 Gbpsと同等の伝送距離 を40 Gbpsの信号で実現するためには，以下の技術 課題の克服が必要であった。 （1） 光信号対雑音比（OSNR）の劣化 変復調方式が同じである場合，信号帯域幅が 10 Gbpsの4倍に広がる40 Gbpsのシステムでは， 帯域内雑音が4倍に増加するため，伝送路のOSNR は10 Gbpsに比較して6 dB低下する。 （2） 波長分散耐力の劣化 波長の異なる光が光ファイバを通過する際に，そ れぞれの屈折率が異なるために，伝搬速度にわずか な差を生じる特性を波長分散特性と呼ぶ。この特性 により各信号の到達時間にズレが起こるために，結 果として信号波形が劣化する。この波長分散に対す る耐力は信号速度の2乗に反比例して減少するため， 40 Gbpsのシステムでは，10 Gbpsに比較して16分 の1となる。 （3） PMD耐力の劣化 光パルスは直交する二つの偏波が合成されて光 ファイバ内を伝わるが，二つの偏波に群速度差が生 じ，光パルスが広がる（分散する）現象をPMD （偏波モード分散）と呼ぶ。このPMDに対する耐力 は信号速度に反比例して減少するため，40 Gbpsの システムでは，10 Gbpsに比較して4分の1となる。 新たな適用技術 本システムでは，以下の新技術を開発し適用する ことで，前章の課題を克服した。 ● 多値差動位相変復調（DQPSK）技術 本システムでは変復調方式としてRZ（Return-to-Zero）-DQPSK（Differential Quadrature Phase Shift Keying）方式を世界で初めて採用した。 RZ-DQPSK変調方式は，表-1に示すように様々な 40 Gbps光変復調方式の中で以下の特性で総合的に 優れており，長距離伝送の実現に有利である。 （1） 光雑音耐力 RZ-DQPSK方式は，光遅延干渉計およびTwin PINフォトダイオードを用いた差動受信と，RZパ ルス化によって，ほかの変復調方式に比べて高い光 雑音耐力を有する。 なお，Duobinary方式は，波長分散耐力に優れる ものの，原理的に生ずる符号間干渉などの影響で， RZ-DQPSK 方 式 よ り 光 雑 音 耐 力 が 大 き く 劣 り （約6 dB），長距離伝送に適さない。 （2） 波長分散耐力 RZ-DQPSK方式は，シンボルレートが20G baud であるため，NRZ方式に比べて光スペクトル幅が 約60％，1タイムスロットが2倍となり，NRZ方式 に比べて約3倍の広い波長分散耐力を有する。 （3） 非線形耐力 RZ-DQPSK方式は，光強度波形としてはクロッ クパルス（RZ-like）であるため，ほぼCS-RZ方式 と同等，かつNRZ方式より高いファイバ非線形性 に対する耐力を有する。 （4） PMD耐力 RZ-DQPSK方式は，1タイムスロットがほかの変 復調方式の2倍であるため，約2倍のPMD耐力（伝 送距離に換算して約4倍）を有する。
40 Gbps光波長多重伝送システム
表-1 40 Gbps光変調方式比較 ◎ × △ ◎ ○ (5)光フィルタ透過性 ○ △ △ △ × (4)PMD耐力 ○ ○ ○ × △ (3)非線形耐力 ○ × × ○ △ (2)波長分散耐力 ○ ○ △ × × (1)光雑音耐力 光スペクトル形状 RZ-DQPSK RZ-DPSK CS-RZ Duobinary NRZ 変調方式 ◎:非常に良い，○:良い， △:普通， ×:悪い （5） 光フィルタ透過性 RZ-DQPSK方式は，シンボルレートが20 Gbaud で光スペクトル幅が狭いために，光フィルタ透過性 に優れている。よって，高密度波長多重による伝送 容量拡大，およびスイッチングデバイスが多段化さ れる光Add・Drop（OADM）システムへの適用に 有利である。 ● 高利得FEC技術 伝送したい情報に冗長な情報を付加し，その情報 を基に伝送中に生じた情報の誤りを訂正する技術と してFEC（Forward Error Correction）技術が知 られている。本システムでは，従来のFEC（RS ［255,239］符号）に比べてより高利得なenhanced FECを採用し，受信耐力を向上させた。 ● 個別分散補償技術 分散補償方式としては，DCF（分散補償ファイ バ）を用いて各ノードでの各スパンの伝送路分散が 100％補償されるように分散補償を行ったとしても， 分散スロープや分散ばらつきによる各チャネルの残 留 分 散 を100 ％ 補 償 す る こ と は で き な い 。 RZ-DQPSK方式による波長分散耐力の改善に加えて各 チャネルに分散を補償するための個別分散補償器を 適用することにより，DCF（分散補償ファイバ） で補償しきれなかった残留分散を補償した。また， 個別分散補償器は可変可能な方式を採用し，自動で 常に最適な分散値となるように制御を行うことで， 気温変動などによる伝送路の波長分散変動に追従可 能とした。 装置への適用 本システムは，フィールド実績のある10 Gbps ベースのDWDMシステムを基に40 Gbpsへ伝送速 度の拡張を図ったものであり，その開発手法として は特にトラポン部とコア部の切り口における光のレ ベルを10 Gbpsシステムのそれと同等とした。 このようなアーキテクチャを採用することで，既 存の10 Gbpsシステムのコア部の流用を可能とし， また，とくに設計コストがかかる光回線設計ルール の変更を最少限とすることが可能となった。さらに， すべての新規技術をトラポン盤に集約した上で， 10 Gbps用トラポンに比べ2倍以下の体積を実現し たことで，10 Gbpsシステムと同等の操作性・保守 性を実現した。 これらの新技術を実装した40 Gbpsトランスポン ダの機能構成を図-2に示す。40 Gbpsトランスポン ダはクライアント側の40 Gbps（STM256）光信号 を収容し，波長変換，RZ-DQPSK変復調，FECエ ラー訂正，個別分散補償を行う。 具体的には，クライアント装置からの39.8 Gbps （STM256）光信号を光電気変換し，OUT3オーバ ヘッドを付与した後，FEC符号化を行って再び電 気光変換を行い，波長変換，RZ-DQPSK変調後コ40 Gbps光波長多重伝送システム
43 Gbps OTU3 信号終端 回路 クライアント側 光終端 回路 ＬＩＮＥ側 光終端 回路 39.8 Gbps STM256信号 43 Gbps OTU3信号 可変分散 補償器 光AMP 光AMP 光AMP 装置内インタフェース回路 ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ ･ 図-2 40 Gbpsトランスポンダ機能構成Fig.2-40 Gbps Transponder board function composition.
図-3 40 Gbpsトランスポンダ Fig.3-40 Gbps Transponder board.
ア 部 へ 送 信 す る 。 ま た ， コ ア 部 か ら の43 Gbps OUT3光信号を受信し，個別分散補償を行った後， 光電気変換し，FECエラー訂正後，OUT3フレーム から元のSTM256信号を取り出して再び電気/光変 換を行った後，クライアント装置へ送信する。 40 Gbpsトランスポンダの写真を図-3に示す。 む す び 将来のトラフィック増加に対して伝送装置は年々 高速化への適用が必須であり，今回開発した40 Gbps DWDMシステムはその期待に応えるものである。 今回40 Gbps DWDMシステムで確立した40 Gbps の長距離伝送技術をベースとし，今後トラフィック の増加に対応した40 Gbpsリングシステム，メッ シュシステムへの応用を推進する。 ま た ， 高 速 光 伝 送 に お け る 課 題 は 次 世 代 の 100 Gbpsの世代になると更に大きな障壁となり得 るが，富士通グループの技術力をもって解決し，お 客様に貢献するシステム作りを推進したい。さらに， CO2削減，フロア実装密度向上のために要素技術の 低消費電力化，小型化を進めていく。
