光ファイバー通信における信号多重化

光通信は何故高速 ( 大容量 ) なの か ?

光ファイバー通信における信号多重化

電気信号の多重 化

時分割多重化

周波数領域多重化

利用可能な周波数帯域

f₁

一人当たりの帯域

f₂ f₃ f₄

周波数 時間

1

ミリ秒

1

本の電話回線で複数の人が同時に会話するには

電気による多重化 (TDM, FDM) 伝 送

光源 光変調 光検出器 復調

光ファイバー

2.4 Gbps 2.4 Gbps

bps: bit per second

1Gbps

100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps 1Gbps

2.4 Gbps

電気による

TDM

または

FDM Multiplexer Demultiplexer

変調速度の高速

高ビットレート

化によって多重度を稼ぐ

光ファイバー伝送の大容量化の歴 史

Developing history of optical-link capacity in Japan

F-32M F-100M

F-400M

1980 1985 1990 1995 2000 2005

0.01 0.1 1 10 100 1,000 10,000

FS-400M F-600M F-2.4G F-1.6G

F-1.8G

FA-10G

FA-2.4G FSA-2.4G

new F-600M

Year

Transmission capacity (Gbit/s)

With optical amplifier SDH System

With dispersion shifted optical fiber With DFB-LD

With single-mode fiber

Commercial system

ETDM

Laboratory

ETDM

第一世代

電気的多重化

1980

年～

年は電気的多重化によって大容量化が図られた

第一世代

一本の光ファイバーによる波長多重 (WDM) 伝送

光源 光検出器

1Gbps

復調

100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps 1Gbps

光変調 光源

光源 光変調 光検出器

光検出器 復調

復調 光変調

Wavelength Multiplexer

Wavelength Demultiplexer 1

本の光ファイバー

1Gbps

64 kbps 100 Mbps λ₁

λ₂ λ₃

λ₁ λ₂ λ₃

多波長化によって多重度を稼ぐ

第一世代、第二世代での多重化技

電気的多重化 術

- Electrical time-division multiplexing (ETDM)

- Electrical frequency-division multiplexing (EFDM)

Up to 100Gbps, limited by response speed of electronics

光学的多重化

- Wavelength division multiplexing (WDM):

波長多重伝送

More than 10T bps transmission (40G bps×273 wave

＝

Using many different wavelength as different channel

λ₁ λ₂ λ₃ λ₄ λ₅ λ₆ λ₇

λ₁ λ₂ λ₃ λ₄ λ₅ λ₆ λ₇

WDM transmission (1^st generation)

(2^nd generation)

time (frequency)

Ch1 Ch2 Ch3

- Optical time-division multiplexing (OTDM)

Bandwidth of silica optical fiber C-band L-band

1460nm 1530nm 1565nm 1625nm

S-band

~21 THz

電気的 TDM と光学的 WDM の併用による超多 重化

Laser PD

DEMOD 40G bps

MOD Laser

Laser MOD PD

PD DEMOD

DEMOD MOD

Wavelength Multiplexer

Wavelength Demultiplexer Single fiber

40G bps 40G bps

40G bps λ₁

λ₂ λ₃

λ₁ λ₂ λ₃ 120G bps

40G bps

40G bps 40G bps

40G bps

40G bps Electrical

Multiplexing

Electrical Demltiplexing

制限速度

の一般道路

制限速度の高速化

高速道路

高速道路

制限速度

の多車線化

道路におけるトラフィック増大の 方法

ETDM, EFDM

多重化無し

ETDM, EFDM+

WDM, OTDM, SDM

電気領域での多重化

時分割多重

、周波数

光ファイバー通信における大容量 化

高速の電気信号 数～数十

の電気信号

電気領域での多重化

光領域での波長多重化

など

1

本の光ファイバー 各々が数～数十

の電気信号

波 長 に よ る 多 重 化

(

数十～数百波長

光ファイバー伝送の大容量化の歴 史

日本における光ファイバー伝送容量の変遷

F-32M F-100M

F-400M

1980 1985 1990 1995 2000 2005

0.01 0.1 1 10 100 1,000 10,000

FS-400M F-600M F-2.4G F-1.6G

F-1.8G

FA-10G

FA-2.4G FSA-2.4G

new F-600M

F-6M

年

伝 送 容 量

WDM System 光増幅器使用

SDH System

分散シフト光ファイバー使用 DFB-LD使用

単一モード光ファイバー使用

商用システム

ETDM

WDM + ETDM

実験

ETDM

WDM + ETDM OTDM

WDM + OTDM

光ファイバー 日本縦断網完成

FTTHサービス開始

1.6T (40G, 40 波)

25

年間で

桁向上

第一世代

TDM

技術

電気

による 第二世代

光増幅

光

による

第三世代 デジタルコヒーレント

年以降は波長多重化によって大容量化が図られた

第二世代

第三世代での多重化技 術

Coherent transmission 　 ‥‥　 modulating both amplitude and phase of lightwave Optical orthogonal detection, Optical heterodyne/homodyne detection Digital coherent optical transmission

Multilevel modulation 　 ‥‥　 QAM, DPSK/DQPSK/DP-QPSK etc.

Digital signal processing (DSP) 　 ‥‥　 Error correction code (FEC)

Electrical

Electrical Code-division multiplexing (CDM) (3^rd generation)

光ファイバー伝送の大容量化の歴 史

1980 1990 2000 2010 2020

year 100T

10T 1T

100G 10G 1G 100M

1P

Transmission capacity per single fiber (bps)

Electrical Mux.(Laboratory) Electrical Mux.(Commercial)

Optical Mux.(Laboratory) Optical Mux.(Commercial) ETDM

EFDM

1^st Gen. 2^nd Gen. 3^rd Gen.

WDM OTDM

Multilevel Modulation Digital coherent

What technology will emerge next Gen.?

複数本の光ファイバーによる空間多重 (SDM) 伝送

光源 光検出器

復調 光変調

1Gbps

100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps 1Gbps

光変調 光源

光源 光変調 光検出器

光検出器 復調

復調

64 kbps

100 Mbps

光ファイバー

第四世代での多重化技 術

1. SDM using an optical fiber with multi-core Space-division multiplexing (SDM)

1.01P bps (380G bps×222 wavelength×12 core) 52.4 km transmission with multi-core fiber (NTT, Fujikura Ltd, Hokkaido Univ. and Technical U niversity of Denmark reported in ECOC2012)

(4^th generation) Optical

Cross section of 19 core fiber (Furukawa Electric Co., Ltd)

core

Ch1

SDM transmission with a multi-core fiber

Ch2Ch3 Ch4

Ch1 Ch2Ch3 Ch4

core

125 μm

Conventional single-core fiber

125 μm core clad

第四世代での多重化技 術

Space-division multiplexing (SDM) Optical (4^th generation) 2. SDM using spatial modes with a multi-mode fiber

Mode1 Mode2 Mode3 Mode4 Mode5

SDM transmission with a multi-mode fiber

Propagating modes in a multimode fiber

LP₀₁ mode LP₀₂ mode LP₁₁ mode LP₂₁ mode LP₃₁ mode

Each spatial mode transmit different signal as different channel

第四世代での多重化技 術

3. Multi-input/multi-output (MIMO) transmission with a multi-mode fiber

Tx1 Tx2 Tx3

Rx1 Rx2 Rx3 MIMO transmission for wireless systems

“Space” is the final frontier of optical communication

Rx1 Rx2 Rx3 Tx1

Tx2 Tx3

光ファイバー伝送の大容量化の歴 史

1980 1990 2000 2010 2020

年

10T 1T 100G

10G 1G 100M

1P

305T (19

コア

(7

コア

1.6T

光 フ ァ イ バ ー 1 本 当 た り の 伝 送 容 量

電気的多重化

実験

電気的多重化

商用

光学的多重化

実験

光学的多重化

商用

EFDM

第一世代 第二世代 第三世代 第四世代

WDM OTDM

多値変調 デジタルコヒーレント

マルチコア 光ファイ バー

13T (2019.12) +20%/year

国内の全トラフィック

光ファイバー伝送大容量化の歴史と展 望

第一世代

年代 ) 電気による多重化 - 電気信号による時分割多重

- 電気信号による周波数分割多重

電子回路の応答速度により

、

程度が限界 第二世代

年代 ) 光学技術による

-　

光信号による時分割多重

波長多重

光ファイバ

本当たりの伝送容量

電気による多重化と組み合 わせることにより

を実現

第三世代

年代 ) 電気信号処理による - デジタルコヒーレント多値変調

第四世代

年

) 光の空間多重による - マルチコア光ファイバー

- マルチモード光ファイバー

多値符号化により

は可能か

1Pbps

以上も可能

大容量化の方法

信号の多重化伝 送

時分割多重　

多重化方式

周波数多重

波長分割多重

サブキャリヤ多重

複数の信号を

本の伝送路に乗せる手法

電気信号の時間

光の波長 多重化を行う領域

空間多重

空間

電気信号の周波数 電気信号の周波数

偏波分割多重

光の偏波

偏光

面 符号分割多重

光時分割多重　

光符号分割多重

光信号の符号

光信号の時間

電気信号の符号

光伝送大容量化の技術トレン ド

コヒーレント光伝送　‥‥　光の振幅と位相を変調

　　　　　　　光直交検波、光ヘテロダイン

ホモダイン検波

1

本の光ファイバーに複数のコア

コア程度

を設けた光ファイバーによる空間多重 デジタルコヒーレント光伝送方式

多値変調　‥‥　

等

上記の方式を組み合わせることにより、

本の光ファイバーで

以上の光伝送が可能に。

Few Mode Fiber(FMF) +

無線の

技術を活用 マルチコア光ファイバー

多モード光ファイバー

デジタル信号処理

　誤り訂正符号

波長および偏波モード分散補償

エレクトロニクスの活用

マルチコア光ファイバーを用いた

波長

コア

空間多重光伝送実験に成功

、フジクラ、北大、デンマーク工科大共

同　

年

月

交換方式

回線交換

パケット交換

蓄積交換

例

電話

例

データ通信、インターネット 宅配便 鉄道のポイント切換え

回線交換器

エンドユーザーによって一つの回線が専有される

一つの回線が皆でシェアされる

パケット交換器 パケット交換器

ラベル データ

クロスバー交換 器

A

さん

さん

さん

さん

X

さん

さん

さん

さん

クロスバー交換器

ノンブロッキング 非閉塞

A 　 - 　 X B 　 - 　 Y C 　 - 　 W D 　 - 　 Z A 　 - 　 Z B 　 - 　 W C 　 - 　 Y D 　 - 　 X

回線交換

電話のクロスバ交換器

回線交 換

回線交換のメリット

回線交換のデメリット

特定のエンドユーザーによって一旦専有された回線は、たとえデー タが全く流れていない時間があったとしても、他のユーザーがそこ にデータを流すことはできない

特定のエンドユーザーによって一旦回線が確保されると、通信が終 了し、回線が開放されるまでは、安定で良質の通信が可能

交換器の構造がシンプル

回線が混んできても、一旦接続されるとリアルタイムの通信が可能な ため、電話においては自然な会話が保証できる

一か所に大量のストリームデータなどを伝送する場合

長編映画のダ

ウンロードなど

、伝送効率が高い

パケット交 換

パケットにはデータと同時に、宛先を示す情報が書き込まれている

パケット交換器 パケット交換器

宛先ポート 経路表

①

①

②

③

④

⑤

⑥ 1

2 3

4 1 2 3 4

②

③

④

⑤

⑥ 4 4

1

2 3 4 宛先ポート

経路表

① 1 1 1 2

②

③

④

⑤

⑥ 3 4

交換器は経路表に基づきパケットをいずれかのポートに送出する

データをパケット

ではフレーム

ではセルと言う

と

いう単位に分割して送出

パケットの構

パケットの構造 造

宛先アドレス　

パケット　

アドレス

ビット

ビット

アドレス

ビット

データ

データ

ヘッダ ヘッダ データ ヘッダ データ ヘッダ データ

宛先アドレス送信元アドレス

パケット

IP

パケット　ヘッダ部

バイト

データ部

可変長

Ether Net

　ヘッダ部

バイト

データ部

可変長

～

バイト

セル　ヘッダ部

バイト

データ部

バイトの固定長

パケット交換のし くみ

宅配便との比較

パケット交換 宅配便

荷物 データ

ペイロード

ヘッダ

宛先アドレス

荷札

送付先

パケット交換器

ルーター 集配センター

経路表作成

宛先検索

経路制御 仕分け作業

荷物の積込み 道路

鉄道

リンク

リンク障害 交通事故などによる荷物の破損

パケット交換の特 徴

パケット交換の特徴

一つの回線を皆でシェアし、エンドユーザーによる回線の専有はない データと同時に制御信号が送られる

回線が混んでくると遅延が大きくなり、通信のリアルタイム性が損なわれる

電話においては会話が不自然となる。　例

電話などで生じる パケット交換のデメリット

一か所に大量のストリームデータなどを伝送する場合、伝送効率が低

くなる

光ネットワーク機器 ( ルー ター )

光リンク

光ファイバ

ノード

(

ルーター

ノード

ノード ノード

(

ルーター

受光素子

光信号 電気信号 発光素子

(LD)

発光素子

(LD)

ヘッダ 解析 光デバイス

電子デバイス 光変調器

光変調器

発光素子

(LD)

光変調器

電 子 ス イ ッ チ 宛先検出

光

電気

光

バッファ メモリ

ルーター

パケット交換機

の構成

ハイエンドルーター

ノードの処理速度がボトルネ ック

光リンク

光ファイバ

ノード

(

ルーター

ノード

ノード ノード

(

ルーター

料金所 渋滞

高速道路

リンク容量

(40Gbps × 256

波

ノード処理速度

フォトニックノードによるボトルネ ック解消

光リンク

光ファイバ

ノード

(

ルーター

ノード

ノード ノード

(

ルーター

ETC

システム 高速道路

リンク容量

(40Gbps × 256

波

ノード処理速度

フォトニックネット ワーク

光リンクを流れる光信号を一旦電気に変換することなく、光のまま交 換する次世代の光ネットワーク

- Optical Add/Drop Multiplexer(OADM)

- λ-MPLS, G-MPLS

- Optical Burst Switching(OBS) - Optical Packet Switching(OPS)

Mesh NW OPS

OPS OPS

OPS

- Optical Cross Connect(OXC)

(MPLS: Multi-protocol label switching)

WDM ring NW

OADM

OADM OXC

WDM ring NW

OADM

OADM

リング型ネットワーク

メッシュ型ネットワーク

Optical　Add/Drop　 Multiplexer(OADM)

R-OADM (Reconfigurable OADM)

波長多重化された信号の中から、ある特定波長 ( チャンネル ) の信号のみ取り 出したり、加えたりするもの

₁ ‥‥ _n OADM

_i _i

WDM

信号

Add/Drop

する波長を任意に設定できるもの

₁ ‥‥ _n OADM

_i _i

WDM

信号

OADM

OADM

OADM

WDM リングNW OADM

OADM

OADM

OADM

WDM リングNW OADM

波長合分波器 (AWG)

50 mm

Arrayed　Waveguide　Grating　(AWG)

SiO₂

コア

クラッド

Si

基板

0.5 m 0.5 m

このような石英光 導波路からなる

N×N AWG 1

個で

波長ルーターが構成可能

Si

細線光導波路による

50 m

大きさ

λ₁, λ₂, λ₃, …, λ_N λ₁, λ₂, λ₃, …, λ_N λ₁, λ₂, λ₃, …, λ_N

λ₁, λ₂, λ₃, …, λ_N λ₂, λ₃, λ₄, …, λ₁ λ₃, λ₄, λ₅, …, λ₂ λ_N, λ₁, λ₂, …, λ_N-1

シリコン光導波路を用いれば

、極微小な

が実現可能

波長可変レー ザー

リング共振器による熱光学式 波長可変レーザーの構造

100 m

作製した

細線光導波路による リング共振器型波長フィルター

波長可変特性

K. Nemoto, et al., Appl. Phys. Express 5, 082701 (2012)

Si 細線導波路による熱光学 (T-O) 光ス イッチ

T. Chu et al., Proc. SPIE 6477 (2007)

MZ

型

細線導波路光スイッチ素子

1×8

光スイッチの写真

チップサイズは僅か

Port1 Port2

Port8

0 50 100 150 200

-40 -30 -20

Transmission (dB)

Heating power (mW) Port 1

Port 2

スイッチング特性

四光波混合による 40Gb/s 波長 変換

40Gbps NRZ

波長変換実験系

Y.-H. Kuo et al., Optics Express 14, 11721 (2006)

波長変換効率

逆バイアスされた

長

リブ導波路による

波長変換

波長変換出力スペクトル

40Gbps Eye Diagram

左

入力信号

右

波長変換出力信号

光による符合ラベル処 理

データ データ データ

波長ラベル 波長ラベル

₁ ₄ ₃ ₂ ₂ ₁ ₃ ₄

₁

₄

₃

₂

グレーティング光ファイバー

データ データ データ

グレーティングパターンとラベルが一致した場合 サキュレータ

一致しないと

グレーティング光ファイバーを用いる方式

光バッ ファ

1.

光遅延線路と光スイッチによる

2. Slow Light

による

電磁誘導透過　

|1>

|3>

|2>

300,000km/s

　→　

約−

ナトリウム

70

～

～

ルビジウム

300,000km/s

　→　

光スイッチ 光スイッチ 光スイッチ

光遅延線路 光遅延線路 光遅延線路

光集積回路 ( 光

様々な光デバイスを小型化し、集積化することに IC)

より、本格的な光集積回路の実現を目指す

Photonic Network

Photonic node

光集積回路

光

光スイッチ

Si

光導波路 光合分波器

通信用光デバイス

次世代フォトニック ネットワーク

フォトニック結晶

ご聴講ありがとうございま

した

　以下の問いについて述べよ。

1.

光ファイバーの中を信号

光パルス

が伝搬する際に、信号 波形が歪む様々な要因について述べ、またその歪を補正する方 法についても述べよ。

2.

単一モード光ファイバーを用いて長距離伝送を行う場合、光 源としてどんな

を用いるが望ましいか

の動作原理にも 触れながら、そのような

の実現方法についても述べよ。

3.

コヒーレント光伝送方式について、従来の光伝送方式

と対比しながら、その違いや特長を述べよ。

4.

光ファイバー通信が大量の情報を送ることができる理由を述 べよ。また、これまでどんな経緯をたどって大容量化がなされ てきたか

5.

将来の光ネットワークであるフォトニックネットワークにつ いて述べよ。

レポート課題 (2 回 目 )

〆切

金

提出先