将来の通信ネットワークを考える

通信システム工学特 論

Advanced Communication Systems Engineering

山田 博仁

将来の通信ネットワークを考える

H30 年 8/27 開講

講義内 容

講義の目的 : 通信ネットワークが置かれている現状を理解し、将来 の通信ネットワークの在り方について考えてもらう

主な講義内容

　・ 通信ネットワークの現状 　・ 通信ネットワークの変遷 　・ 通信システム工学の基礎 　・ フォトニック ネットワーク 　・ 有線と無線の通信網の融合 　・ 通信網と電力網との融合 成績評価　　レポート

参考書

講義資料のダウンロード : http://www5a.biglobe.ne.jp/~babe

質問等は : E-mail: [email protected]

通信ネットワークの現

状

Growth of internet traffic in Japan

Total download traffic in Japan

Total upload traffic in Japan

Daily average value

year

Cited from: H29 年度版情報通信白書

Total download traffic reached 10Tbps at the end of 2016

Annual growth rate: 40%

Optical fiber submarine networks

Cited from https://www.alcatel-lucent.com/solutions/submarine-networks

Optical fibers used in data communications

Storage Area Network(SAN) with Active Optical Cable(AOC)

Bus interface for the SONY VAIO Z Backplane of a server

Universal Bus Interface for PC

Light Peak

Optical Tx/Rx module for data communications

10Gbps, 12ch(120Gbps) Parallel optical module

MicroPOD

made by Avago

IBM Power775 super computing component

System board of Power775

Board-to-board optical link

Automotive Optical Network

Car Area Network(CAN)

Optical interconnection between LSI chips

Optical communication is being studied between LSI chips Laser diode

Si substrate

Photo diode Optical waveguide

Optical modulator LSI chip

Cited from PETRA HP

On-chip optical interconnection for LSI

Global

interconnection

Local

interconnection Transistor layer

Advantages - High speed

- Low power consumption - Low noise

Optical interconnection

Cross-section of LSI chip (Intel) 130nm 6-layer cupper wire

Problems

- Clock frequency - Power consumption - EM noise

Emerging performance limit of LSI

Performance limit of electrical interconnection Many core architecture

Optical interconnection

Electrical interconnection

移動通信ネットワークの変

遷

通信ネットワークの変

遷

情報コンテンツの変 遷

1837 年、米国の画家モース (Samuel Finley Breese Morse) によるモールス符号の 発明と、それを用いた電信による電報 ( 文字データ通信 ) の開始

1876 年、グラハム・ベル (Alexander Graham Bell) が電話を発明し、その後音声 通話による加入者電話網が全世界に張巡らされるようになる。

文字 ( 電信 )

音声 ( 電話 )

1800 年 1900 年

データ

( コンピュータ )

2000 年 静止画

(FAX) 1950 年

動画

( インターネット )

1980 年代は、アナログ加入者電話回線を用いたデータ通信が登場

1990 年代は、加入者電話回線を用いた FAX やパソコン通信が行われていた

1910 年、コルン (Arthur Korn) の Photoelectric telephotography が、パリ・ロンド ン・ベルリン間を電話回線で結んで運用が開始され、ベランの Belinograph は 1930 年代・ 1940 年代にニュースメディアで使用された。その後、日本電気の丹羽 保次郎と小林正次が画期的な FAX の技術を開発し、 1920 年代後半から日本でも実 運用が開始された。

2000 年代は、光ファイバー (FTTH) による超高速インターネットアクセスが登場

し、 YouTube 等の動画コンテンツの通信が普及していった

AI

( クラウド )

2020 年

アナログからデジタル へ

初期 (1800 年代 ) の電気通信 ( 電信 ) はデジタル通信であった。電信は、文字を

短 ( トン ) ・長 ( ツー ) ・空白の 3 値の符号からなるモールス符号に置き換えて 伝送するデジタル通信

1876 年、グラハム・ベルによって発明された電話は、音声を電流の強弱としての アナログ信号として伝送するアナログ通信であり、その後電話によるアナログ通 信の時代が長く続くこととなった。

1970 年代以降、コンピュータ間でのデータ通信網 (ARPANET) が普及し、デジタ ル通信のウエイトが大きくなっていくこととなる。

モバイル通信月間トラフィックの変遷 電話網も当初は全てアナログ網

であったが、 1970 年頃から段 階的にデジタル化されて行き、

現在では全てデジタル網となっ ている。 現在では、有線無線共に大部 分の通信がデジタル通信とな ってしまった。

インターネット動向調査レポート「Akamai’s State of the Internet：Q1 2015 Report」

日本の電話網のデジタル化のステッ

プ

何故デジタル化が進展して行ったの か ?

上記の問題が生じないような近距離伝送においては、装置の構成がシンプル。

アナログ伝送の欠点

長距離伝送においては、一定の間隔で中継器を設けて、ケーブルや空間伝搬 で減衰した信号を増幅してやらなければならない。この時、途中で混入した 雑音等もそのまま増幅され、さらに増幅器等で信号に歪が加わるとそれらが 累積されていくので、多数の中継器を経由する長距離伝送では信号品質が劣 化してしまう。

アナログ伝送の利点

デジタル伝送の利点

一方、デジタル伝送では、伝送途中で雑音が加わったり信号が歪んだりして も、再生中継器によって雑音や歪の無い元の信号に再生させることができる ので、原理上は何段にも中継を行っても信号品質の劣化は無い。

アナログ伝送に比べると、送受信機・中継器共に複雑なものとなる。

デジタル伝送の欠点

通信ネットワークの構成要 素

リンク ( 回線 ):

ノード間、端末とノード間を接続して情報を伝送するメディア ( 有線に 限らず、無線や衛星回線も含む )

ノード :

ルーター、ブリッジ、スイッチ、ハブ、リピータ等、ネットワークの内 部に配置され、情報を中継する機能を有する装置

端末 ( ユーザ端末、エンドホスト ):

電話機、 FAX 、ホストコンピュータ、クライアント PC 、携帯情報端

末等、情報を送受信する装置

P to P 通信から交換通信ネットワー クへ

ネットワーク トポロジー

Peer to Peer 通信 : 端末同士が 1 対 1 に通信を行う

電話の専用回線

P to P のコンピュータ NW 回線交換 (M 対 N)

公衆電話回線

クライアントｰサーバ ーシステム

メッシュ型

PC PC

PC PC

PC

リング型

PC PC

PC

PC PC PC

スター型

ノード

ノード ノード

ノード ノード

交換方式

交換方 式

回線交換

蓄積 ( パケット ) 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

回線交 換

回線交換方式

データを送る前に制御信号を送り、予め送信者と受信者 間で回線 ( コネクション ) の設定・確保を行う

ノード ノード

データ転送 回線予約 設定時間

送信端末 受信端末

予約

設定 予約

設定 予約

設定

データ 転送時 間

t

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

クロスバー交換 器

A さん B さん C さん D さん

X さん Y さん Z さん W 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

蓄積 ( 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 (Ether Net ではフレーム , ATM 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　 IP パケット　 IP アドレス : 32 ビット (IPv4), 128 ビット (IPv6), 　　　　　　　　　 Ether Net 　 MAC アドレス : 48 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 : 20 バイト + α, データ部 : 可変長

Ether Net 　ヘッダ部 : 22 バイト , データ部 : 可変長 (46 ～ 1500 バイト )

ATM セル　ヘッダ部 : 5 バイト , データ部 : 48 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

蓄積 ( 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 ) IP 電話などで生じる

パケット交換のデメリット

交換方式の変遷

回線交換から蓄積 ( パケット ) 交換へ

コンピュータ間のデータ通信のように、バースト的にデータが伝送さ れるが、それ以外の何もデータ ( 情報 ) が送られていない時間の方が長 いような通信においては、通信回線をシェアできる蓄積 ( パケット ) 交 換の方が回線を有効活用できるため、電話による音声通信よりもデー タ通信の占める割合が大きくなった現代においては、蓄積交換へと移 行して行くこととなった。

現在では、電話による音声通信も、 Voice over IP(VoIP) 技術による IP 電話によってパケット通信になってきた。

ただ、長時間映画のストリーム配信のように大量のデータ ( フル HD の 2 時間の映画で 3 ～ 5GB) を同じ端末間 ( 映画配信サーバーからホーム サーバーへ ) で伝送する場合、映画データを一々 IP パケットに分割し てラベルヘッダを付けて伝送するのは非効率的

光パス・ネットワーク

光パス・ネット ワーク

光パス・ネットワーク

https://www.aist.go.jp/Portals/0/resource_images/aist_j/.../vol08_07_p04_p05.pdf

トラヒック 理論

デンマークの電話技師アーラン (Agner Krarup Erlang) によって提唱された理論 仙台から東京に電話をかけるための電話回線 ( 回線交換 ) を敷設することを考 える。 仙台から東京に向けての接続要求 ( 呼という ) が 1 分あたり 8 回発生する。

また、通話時間は平均 5 分である。全ての回線が塞がっていて、接続しても らえない確率 ( 呼損率 ) を 1% 以下にするためには、何回線必要か ?

回線数 : S 回線交換器 東京

仙台

回線交換器

現在では、より一般的な待ち行列理論 (Queueing theory) として体系化されて

おり、待ち行列システムを扱う場合などに用いられている。

回線交換における所要回線 数

回線数 : S 回線交換器 回線交換器

回線交換における呼損率　 B は、トラ ヒック理論によると





i i S

i a S a B

0

!

!

a: トラヒック量

S: 回線数

トラヒック量と所要回線数との関係 先の例でトラヒック量は、

で与えられる。

8( 回 / 分 )×5( 分 ) = 40 (erl)

待ち行列システ ム

ATM やチケット販売窓口、スーパーや食堂のレジ、出入国管理窓口などに並ぶ時

サーバ 待ち行列

( システム容量 ) サービスを受けている客

到着する可能性のある客

待ち行列システム

システム容量

無限の例 :

　新型 iPhone 発売日の Apple Store 前の行列 有限の例 :

　レストランや病院の待合室

など

インターネットなどのパケット通信 の場合

1 日あたり平均 10kWh の電力を消費して生活している A さんが、太陽光発 電 ( 定格 4kW のソーラーパネル ) のみで生活することを考えており、停電率 を 1% 以下にするためには、どれくらいの容量のバッテリーが必要となる か ?

あるルータには、パケットが 1 秒あたり 100 個到着する。到着パケットは ルータ内のバッファに一時ストアされ、順次送出される。伝送速度が 1Gbps

、平均パケットサイズが 1kB であるとき、バッファが一杯で到着パケットが 棄却される確率 ( 棄却率という ) を 10

以下にするためには、何 kB のバッ ファを装備すればよいか ?

単一サーバモデル

ルータ ( バッファサイ

ズ ?) 1Gbps

到着パケット数 : 100 個 / 秒 平均パケットサイズ : 1kB

棄却率

<10

バッテリ

( 容量 ?) 10kWh/ 日

平均発電量 : 12kWh/ 日

停電率

<10

仙台で 4kW

のパネルで の値

他分野への応用例

多重化方式

Multiplexing in telecommunications

t

t

t

Bandwidth of transmission line

f

Signal bandwidth

f

f

f

frequency t

t

t

t

1 msec Time-division multiplexing (TDM)

Frequency-division multiplexing (FDM)

Single transmission line

Multiplexing in electrical communications

Osc. Mod. DeMod.

Electric cable

2.4 Gbps 2.4 Gbps

bps: bit per second

1Gbps

100 Mbps

64 kbps 64 kbps

100 Mbps 1Gbps

2.4 Gbps

TDM or FDM

Demultiplexer Multiplexer

Multiplexing by increasing the modulation speed (high bit rate)

Carrier

Multiplexing in optical communications

Multiplexing in electrical domain

- Electrical time-division multiplexing (ETDM)

- Electrical frequency-division multiplexing (EFDM)

Up to 100G bps, limited by response speed of electronics

time (frequency)

Ch1 Ch2 Ch3

Light Source

Photo Detector/

Demodulator Optical

Modulator Optical fiber

40G bps bps: bit per second 40G bps

1G bps 100M bps

64k bps 64k bps

100M bps 1G bps

40G bps

ETDM or EFDM

Demultiplexer Multiplexer

Optical

Electrical

Optical Modulation

Direct modulation of laser diode Optical modulator

- Electro-absorption (EA) optical modulator

- LiNbO

(LN) MZI optical modulator

L-I characteristics of laser diode

Optical signal

Electrical signal Current

40G bps EA modulator (OKI)

LN optical modulator (Sumitomo Osaka Cement)

Li gh t o ut pu t

Developing history of optical-link capacity

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

T ra ns m is si on c ap ac ity ( G bi t/ s)

With optical amplifier SDH System

With dispersion shifted optical fiber With DFB-LD

With single-mode fiber

Commercial system

ETDM

Laboratory

ETDM

1

generation with ETDM,

EFDM (Electrical method)

Multiplexing method of 1 ^st and 2 ^nd generations

Electrical multiplexing

- Electrical time-division multiplexing (ETDM)

- Electrical frequency-division multiplexing (EFDM)

Up to 100Gbps, limited by response speed of electronics Optical multiplexing

- Wavelength division multiplexing (WDM)

More than 10T bps transmission (40G bps×273 wave ＝ 10.9T bps, 117km) have been demonstrated in 2001

Using many different wavelength as different channel

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

λ

WDM transmission (1

generation)

(2

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

WDM transmission with single fiber

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 λ

λ

λ

λ

λ

λ

120G bps

40G bps

40G bps 40G bps

40G bps

40G bps Electrical

Multiplexing

Electrical

Demltiplexing

Developing history of optical-link capacity

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

T ra ns m is si on c ap ac ity ( G bi t/ s)

With optical amplifier SDH System

With dispersion shifted optical fiber With DFB-LD

With single-mode fiber

Commercial system

ETDM

Laboratory

ETDM

1

generation with ETDM, EFDM (Electrical method)

2

generation using WDM and Optical Amp. (Optical method)

F-6M

WDM System WDM + ETDM

WDM + ETDM OTDM

WDM + OTDM

1.6T (40G×40)

3

Multiplexing method of 3 ^rd generations

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

generation)

Increasing transmission capacity of optical link

1980 1990 2000 2010 2020

year 100T

10T 1T

100G 10G 1G 100M

1P

T ra ns m is si on c ap ac ity p er s in gl e fib er ( bp s)

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

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

EFDM

1

Gen. 2

Gen. 3

Gen.

WDM OTDM

Multilevel Modulation Digital coherent

What technology drive next gen.

?

Multiplexing method of 4 ^th generations

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

10.16P bps (144G or 96Gbps×739 wavelength×19 cores×6 modes ) 11.3 km transmission with multi-core multi-mode fiber (KDDI. and Sumitomo Electric reported in ECOC2017)

(4

generation) Optical

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

core

Ch1

SDM transmission with a multi-core fiber

Ch2 Ch3 Ch4

Ch1 Ch2 Ch3 Ch4

core

125 μm

Conventional single-core fiber

125 μm

core

clad

Multiplexing method of 4 ^th generations

Space-division multiplexing (SDM) Optical (4

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

LP

mode LP

mode LP

mode LP

mode LP

mode

Each spatial mode transmit different signal as different channel

10.16P bps transmission with a multicore fiber

KDDI

&

ECOC2017

www.sei.co.jp/company/press/2017/prs097.pdf

Multiplexing method of 4 ^th generations

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

Increasing transmission capacity of optical link

1980 1990 2000 2010 2020 year

100T 10T 1T 100G

10G 1G 100M

1P

(19 core) 305T (7 core) 109T

1.6T

T ra ns m is si on c ap ac ity p er s in gl e fib er ( bp s)

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

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

EFDM

1

Gen. 2

Gen. 3

Gen. 4

Gen.

WDM OTDM

Multilevel Modulation Digital coherent

Multicore fiber

1P (12 core)

Total network traffic in Japan

10T (2016)

+40%/year

10P (16 core

6 mode)

NW ノードの機

能

NW ノード ( ルータ ) の 機能

・ そのために、他のルータと連携してルーティングテーブル ( 経路表 ) を作成する 1. ルーティング ( 経路制御 )

3. バッファリング

2. フォワーディング ( 宛先検索 )

・ 最長一致検索

ルータに入ってくるパケットを、どのポートに出力すべきかを決める

・ ルーティングテーブルは定期的に更新される

ルータに入ってくるパケットの宛先を分析する

・ 完全一致検索 例 ) ATM スイッチ 例 ) インターネット

日本の人口 1 億 2 千万のエントリが必要だが、 1 回の検索で経路が決まる 経路表のエントリ数が少なくてすむが、 1 回の検索では経路が決まらない

郵便は実際、最長一致検索

パケットがある出力ポートに同時に出力されるような場合、衝突を避ける

ために待たせる

Function and configuration of router

Routing control ‥‥ Producing routing table

Label processing ‥‥ Reading label information and deciding output port based on routing table

Switching ‥‥ Switching output port of packet

Packet Scheduling Controlling output timing to avoid packet collision ‥ ‥ Buffering ‥‥ Keeping data waiting a while for the timing of output

Date Label

Routing

(Producing routing table)

Label processing (Deciding output port)

Switching

(Switching output port)

Scheduling

(Packet collision control)

Buffering

(waiting data output) Output Function

Router configuration Packet

These functions can not be realized optically

Current optical network

Photo diode

Optical signal Electrical signal Laser

diode Laser diode Header

analysys Optical devices

Electron devices

Optical modulator

Optical modulator

Laser diode

Optical modulator

E le ct ro ni c sw itc h

Label detection

Optical(O) – Electrical(E) – Optical(O)

Buffer memory

Optical link (optical fiber) node

(router)

node

node node

(router)

Configuration of optical router High speed

Slow ! Slow !

OE/EO conversion is inevitable for optical router

Processing speed bottleneck in each node

Optical link (optical fiber) node

(router)

node

node node

(router)

Tollgate Expressway

Link capacity: 10Tbps

(40Gbps × 256 wave WDM) Processing speed: 100Gbps

Traffic jam

Problems

Transmission capacity of each optical link is high enough

However, signal processing in each optical node becomes bottleneck

Therefore, we need to realize optical network without electronic circuits

Photonic network

the operation speed of the electronic circuit is limited to 100 Gbps Since the optical router is composed of an electronic circuit,

Next generation optical network without OE/EO conversion is called

Resolving bottleneck by photonic network

node

node node

(router)

ETC system Optical link

(optical fiber) node

(router)

Link capacity: 10Tbps

(40Gbps × 256 wave WDM) Processing speed: 100Gbps

Expressway

フォトニック ネット

ワーク

What is photonic network

Next generation network that routes optical signals without using

OE/EO conversion (OE/EO: optical → electrical / electrical → optical)

OPS router

Mesh-type NW

OPS router OPS router

OADM(Optical Add/Drop Multiplexer)

WDM ring NW OADM

OADM OXC

WDM ring NW OADM

OADM

OBS(Optical Burst Switching) OXC(Optical cross connect) WDM ring-type network

WDM mesh-type network

OPS(Optical Packet Switching)

Photonic MPLS(Multi-Protocol Label Switching)

Optical Add/Drop Multiplexer(OADM)

R-OADM (Reconfigurable OADM)

Certain wavelength signal can be dropped out or added in



‥ ‥ 

OADM





WDM signal

Add/Drop wavelength can be settable



‥ ‥ 

OADM





WDM signal

OADM

OADM

OADM

WDM ring NW OADM

OADM

OADM

OADM

WDM ring NW OADM

OADM

R-OADM made of Si-wire waveguide

1550 1552 1554 1556 1558 1560 1562 1564 -35

-30 -25 -20 -15

Transmissions (dB)

Wavelength (nm)

0 mA 20 mA 40 mA 45 mA 55 mA 65 mA

1546 1548 1550 1552 1554 1556 1558 -40

-35 -30 -25 -20 -15

Wavelength (nm)

Transmissions (dB)

- Wavelength tuning by T-O effect - Wavelength tuning range: 6.6 nm - Channel switching time: < 100 μsec

signal in

drop out add in

through 3-dB coupler

 d

Bragg grating electrodes

heater

700 m

=370 nm d=30 nm

3-dB coupler

500 m

Wavelength tuning characteristics Demultiplexing characteristics

T. Chu et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 1409 (2006)

Wavelength Router

































DEMUX MUX

DEMUX

DEMUX

DEMUX Port 1

Port 2

Port 3

Port 4

Port 5

Port 6

Port 7

Port 8

Output port can be switched by changing wavelength









MUX

MUX

MUX

Arrayed waveguide grating(AWG)

50 mm

Arrayed Waveguide Grating (AWG)

SiO

core SiO

clad

Si substrate

0.5 m 0.5 m

Made of silica waveguide

N×N wavelength router can be constructed by an N×N AWG

AWG made by Si-wire waveguide

50 m

Size　1/1000 λ

, λ

, λ

, …, λ

λ

, λ

, λ

, …, λ

λ

, λ

, λ

, …, λ

λ

, λ

, λ

, …, λ

λ

, λ

, λ

, …, λ

λ

, λ

, λ

, …, λ

λ

, λ

, λ

, …, λ

λ

, λ

, λ

, …, λ

Extremely small AWG can be

realized by Si-wire waveguide

フォトニックノードの 種類

1. 光パス ( 回線 ) スイッチング

　　・ 空間的光パス スイッチング　光の物理的な線路を切り替える 　　　　例 ) MEMS 光スイッチ , 熱光学 (T-O) 光スイッチ

　　・ 波長領域光パス スイッチング ( 波長ルータ )

　　・ 時間スロットパス スイッチング (OTDM ネットワークノード ) 　　・ 仮想パス スイッチング (OCDM ネットワークノード )

2. 光バーストスイッチング (OBS) 3. 光パケットスイッチング (OPS)

光ノード

フォトニックノード

O-E-O スイッチングノード

O-O-O スイッチングノード

光スイッ チ

→ 　ガードタイム

・ スイッチング速度 : 　 ms オーダーから ns オーダーまで 2×2 スイッチ

クロスバー スイッチ バー状態

入力 1 入力 2

出力 1 出力 2

入力 1 入力 2

出力 1 出力 2

入力 1 入力 2

出力 1 出力 2 クロス状態

光スイッチの性能指標

・ スイッチの規模 : 　 2×2, 1×N, N×N

光スイッ チ

電気制御 - 光スイッチ　 ( 光の経路を切り換えるが、 ON-OFF の制御は電気で行う )

光制御 - 光スイッチ　 ( 光 - 光スイッチ or All 光スイッチ )

ON-OFF 制御も光でやる

現在研究開発中　将来の全光信号処理システムに使われるかも ?

スイッチング機構 特　徴

メカニカル (MEMS)

熱光学 (T-O) 効果

その他に、磁気光学 (M-O) 型、音響光学 (A-O) 型などもある

電気光学 (E-O) 効果 nS オーダーの高速切換え

高価

mS オーダーの遅い切換え速度 安価

mS ～  S オーダーの切換え速 度比較的安価

Port1 Port2

入力ファイバー

出力ファイバー

入力

1

入力

2

2

1

ヒーター

+

電界印加

-

2 次元 MEMS によるクロスコネクト光ス イッチ

光ファイバー

ミラー コリメートレンズ

3 次元 MEMS によるクロスコネクト光ス イッチ

光スイッチ ファブリック 光スイッチ ファブリックの光学系

http://pr.fujitsu.com/jp/news/2003/09/29.html

富士通が開発した 80 ch 3 次元 MEMS 型光スイッチ 2005 年には、 256×256 チャネルを 1ms で切り替えられる光スイッチも 開発

22-1.asx

0 50 100 150 200 -40

-30 -20

Transmission (dB)

Heating power (mW) Port 1

Port 2

0.0 0.5

0 1

Intensity (a.u.)

Time (ms) Heating current Light output

Si 細線導波路による熱光学 (T-O ) 光ス イッチ

スイッチング応答特性 スイッチング特性

スイッチ素子の写真 素子特性

スイッチング電力 : 90 mW 消光比 : > 30 dB

スイッチング応答速度 : < 100 s スイッチ素子の構造

T. Chu et al., Optics Express 13, 10109 (2005)

Si リブ導波路による 8×8 T-O 光ス イッチ

S. Nakamura et al., OFC/NFOEC OTuM2 (2011)

スイッチング特性 12mm×3mm のサイズに、 64 個の T-O 光ス

イッチ素子からなる 8×8 マトリクススイッチ を実現

素子特性

スイッチング電力 : 約 36 mW スイッチング応答速度 : < 15

s

消光比 : ~ 25dB 偏波無依存

AWG と組み合わせて、波長選択光スイッチ

(WSS) を構成

光 ( 波長 ) パスにつ いて

波長変換が可能な場合

ノード

ノード









端局

端局

波長変換 波長変換

ノード

ノード













端局

端局

波長ルータ 波長ルータ

波長変 換

1. O-E-O 変換による

LD PD



電気 

2. 各種非線形光学効果による

1) 半導体光増幅器 (SOA) の相互利得変調 (XGM) or 相互位相変調 (XPM) を用いる a) 対称 Mach-Zehnder 干渉計 (SMZ) 型

2) パラメトリック過程を用いる

a) 和周波・差周波発生、第二高調波発生

3) ラマン散乱

b) 四光波混合

Light sources

Laser Diode

Feature

• Compact (Chip size: 0.3×0.3×0.1mm)

• Low voltage (~2V), low power operation

• High speed (>Gbps) direct modulation

• Long life (>10

h)

• Low Price

へき開面(鏡面)

Structure of LD chip

Tunable wavelength laser with ring resonator LD module

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

Tunable wavelength laser diode

Wavelength [a.u.]

semiconductor optical amplifier (SOA)

ring resonator 1 ring resonator 2

loop mirror reflector

Tr an sm itt an ce [ a. u. ]

with large FSR with small FSR

SOA gain wavelength region facet mirror

Lasing wavelength

laser output

Tunable wavelength laser with Si waveguide ring resonator filters

Using vernier effect

波長変 換

半導体光増幅器 (SOA) の相互位相変調 (XPM) を用いる波長変換器

対称 Mach-Zehnder 干渉計 (SMZ) 型

信号光

CW





t

t

SOA

光導波路

信号光のビットパター ンがコピーされて出て くる

t





出力光

出力光

信号光が SOA に入射すると、 XPM により CW 光の 位相が変調される

t

Wavelength　conversion　with　four- wave　mixing

Set-up of 40Gbps NRZ wavelength conversion

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

Conversion efficiency: -8.6dB Pump power: 450 mW

40 Gbps wavelength conversion with reverse biased 8cm SOI pin rib waveguide

Spectra of converted signal

40Gbps Eye Diagram Left: Input signal

Right: Converted signal

時間スロットパス スイッチ ング

ノード

ノード 端局

端局 t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

短い時間スロットの光パルスを切り出すため、超高速光スイッチが必要となる

仮想パス (OCDM) スイッチ ング

ノード

ノード 端局

t 端局

1 0 1 1 0 1

Ch1

1

t

0 1 0 1 1

Ch2

1

t

0 0 1 0 1

Ch3

Code1

Code2

Code3 Code4

Code1

Code1 で符号化

1 0 1 1 0 1

t

Code1

Code3 Code2

Code3 Code4 Code4

Code2 で符号化

1

t

0 1 0 1 1

1

t

0 0 1 0 1

Code3 で符号化

光バースト スイッチング 方式

ノード ノード

バースト転送 回線予約 設定時間

送信端末 受信端末

予約

設定 予約

設定 予約

設定

データ 転送時 間

光バースト スイッチング (OBS)

ACK REQ

回線交換と同様に、予め送信者と受信者間で回線 ( パス ) の予約を行う

光パケット スイッチング 方式

ノード ノード

パ ケ ッ ト 転 送

送信端末 受信端末

ヘッダ処理とバッ ファリングによる

パ 遅延 ケ ッ ト 転 送 パ ケ ッ ト 転 送

データと同時に制御信号が送られる

光パケット スイッチング (OPS)

OPS ノードの機能構 成

経路制御 ( ルーティング ) 　 ‥　‥　　パケットの経路表を作成

ラベル処理　‥　‥　　ヘッダを読み、経路表に照らし合わせて出力ポートを決定 スイッチング　‥　‥　　パケットの出力先を適切な出力ポートへ切り替える

パケットスケジューリング　‥　‥　　パケット同士が衝突しない様タイミングを計る バッファリング　‥　‥パケットを出力させるまでの間、しばらく待たせる　

ペイロード ヘッダ

ルーティング ( 経路表作成 )

ラベル処理 ( 出力ポート決定 )

スイッチング

( 適切な出力ポートへ )

スケジューリング ( パケット衝突回避制御 )

バッファリング

( パケットを一時保管 ) 出力

以下の処理を全光学的に行う

Optical label processing

Data Data Data t

Color label Color label

























Optical fiber grating

Data Data Data t

Matching of label and grating pattern Circulator

Missmatching

Optical Buffer

1. Based on Optical Delay Line and Optical Switch

2. Based on Slow Light

Electromagnetically Induced Transparency(EIT)

300,000km/s 　→　 28m/s 0.9μK(-273 ) Natrium (Na) ℃

70 ～ 90K(-203 ～ -183 ℃ ) Rubidium (Rb)

300,000km/s 　→　 1km/s

optical switch optical switch optical switch optical delay line optical delay line optical delay line

|1>

|3>

|2>

coupling probe

probe frequency

absorption

transmittance

光ネットワークの進 化

2000 2005 2010 2015

1995 年代

容 量 (b it/ s)

1T 1P

1G

p-to-p

WDM p-to-p

WDM リングNW OADM

OADM OADM

高機能

メッシュ型 NW OXC

OXC OXC

OXC フォトニック MPLS ルータ メッシュ型NW

フォトニック MPLSルータ フォトニック

MPLS ルータ

ネットワークの統 合

従来 電話網

ファクシミリ網

モデム 電話網 モデム

1990

ISDN

64kbps 64kbps 16kbps

ISDN

ISDN 1 回線でパソコンと電話が同時

に使用可能 (64kbps2 回線使用 ) 従来は、サービスごとに異なる通信ネットワークが用いられていた

PHS

携帯電話

(

, au, SB)

WiMAX

WiFi

現在でもモバイル

NW

ISD N

従来のサービス形態

ISDN によりネットワークインター フェースを統合

しかし、ネットワークは従来のものを そのまま利用

ISDN

サービスごとに異なるネットワークに 接続

電話局 家庭やオフィス

NG N

2008 年に、光ファイバをベースとした NGN: Next Generation Network のサービスを開始 例えば、それまでは別のネットワークとして独立に運用されていた固定電話

のネットワークと携帯電話のネットワークを、同一の IP ベースのネットワー ク基盤に統合しようというもの。

IP

NGN では、ネットワークまでも IP 網に統合

センサーネット ワーク

複数のセンサ、無線チップ、マイクロプロセッサ、電源（電池等）により構 成される無線端末 ( センサーノードと呼ばれる ) は、センサ値を発信するだ けでなく、アドホック (ad hoc) 機能と、他のセンサノードからデータを受け 取って中枢ノード (Gateway) へデータを送るための中継ルーティング機能 (routing algorithm) を併せ持つ。

https://www.yuden.co.jp/jp/solutions/wsn/

耐災害ネットワー ク

https://www.oki.com/jp/press/2013/04/z13010.html

災害時には緊急避難的に、異なるネットワーク間を接続しての通信を可能に

・有線融合ネット ワーク

https://www.nict.go.jp/publication/NICT-News/0909/08.html

モバイルネットワークのバックホールには既に有線の光ファイバー回線が用いられ

ている

光ファイバー無 線

http://www.soumu.go.jp/main_content/000405378.pdf

無線と光ファイバーをシームレスに接続

電力網と通信ネットワークとの

仮想発電所（ VPP:　Virtual Power Plant 融合 ） :　 各地に存在する小規模の再生可能エネ ルギー発電をまとめて制御・管理することで、一つの大きな発電所のように機能 させること。発電による電力の売買にブロックチェーンの利用も検討されている

http://www.greenenergy.jp/2754

通信の変遷

センサー NW 等の新概念の NW の出現 伝送方式 ( アナログからデジタルへ )

ネットワーク トポロジー (P to P 通信から通信ネットワークへ )

個別ネットワークから統合ネットワークへ (ISDN→ IP ネットワーク→有線無線融合 NW) 通信内容 ( 情報コンテンツ ) の変遷 ( 音声、文字から画像、動画などマルチメディアへ ) 文字 ( 電信 )→ 音声 ( 電話 ) → ( 文字 )E メール→静止画 (FAX) → 動画 ( インターネット )

交換方式 ( 回線交換から蓄積 ( パケット ) 交換へ )

有線 ( 光ファイバー ) と無線、異なる NW 間でのシームレスな運用 ( 耐災害 NW など )

ご聴講ありがとうございま

した

レポート課 題

以下の課題について、 A4 用紙 3 枚以内にまとめよ

課題 : 通信ネットワークが置かれている現状を踏まえた上で、将来 の通信ネットワークの在り方について論ぜよ

9 月 10 日提出〆切

送信エラーのリスクを踏まえた上でのメール添付での提出も可