研究スタッフ 教 授： 中沢 正隆 准教授： 廣岡 俊彦 准教授： 吉田 真人 研究員： 葛西 恵介 研究目的 行政機関 インターネットの信号が文字から音声、静止 画、動画と多彩になり、また利用者が急速に増 えるにつれ、様々なコミュニケーション環境に 柔軟に対応する超高速ネットワークが大変重要 になってきています。本研究室は、超高速光通 信の基盤となる超短光パルス発生・伝送技術、 超高速レーザ技術、光信号処理技術の研究開発 を行ない、21世紀のグローバルな超高速光ネッ トワークの構築を目指しています。 銀行・郵便局 病院 学校 会社 図書館 情報インフラ ・３次元画像通信 ・メディア情報通信 ・高安全知能自動車 ・知能ロボット バックボーン光ネットワーク 1-10Tbps ・スーパーコンピュータ ・地球シミュレータ ・超高精細画像 ・超高性能ディスプレイ ・遠隔医療 ・X線高精細ディジタル画像 主な研究テーマ 1. 超高速光伝送技術に関する研究 1-2 光通信インフラの飛躍的な高度化の重要性 光通信技術の動向 1 Tbit/s@2009年 100 1P 本研究による第２のイノベーション 超多重化コヒーレント光伝送技術 マルチコアファイバ伝送路技術 マルチコア中継増幅技術 年率40%の増加 80 60 40 超高速光ネットワーク 100 Gb/sイーサネット 1P 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Year WDM 第１のイノベーション EDFA, WDM 1T 100M 1980 1.6G 10Gx80 EDFA 10G ムーアの法則 400M 1990 TDM: 時間多重 WDM: 波長多重 2010 2020 高利用効率・大容量FTTH 多値変調 ・・・ ジッタ除去 入力スペクトルに対する厳 しい規定はない ・・・ 1-4 超高速時間領域光フーリエ変換を用いた 2.56 Tbit/s/ch - 300 km 偏波多重DQPSK伝送 従来の伝送方式 1540 nm, 1.6 ps 40 GHz MLFL 高次分散補償 分散適応等化 光ファイバ HNL-DFF 2 km EDFA CLK PC PBS EDFA I Q Q 40 Gbit/s 27-1 PRBS Optical Delay 時間 伝送信号のスペクトル形状は 保存される必要あり 光ファイバ フーリエ限界(TL)パルスを使用 =0.44 (Gauss型) 周波数 =0.32 (Sech型) PM EDFA CLK 全ての線形歪みを一括して除去 中沢・廣岡・吉田研究室 HNLF 100m x7 P. Guan et al., ECOC 2010, We.6.C.3 5 nm SMF PC DI ATT EDFA Demod. PD Error Detector Prec PC 超短光パルスに光フーリエ変換法を適用 するために、往復型構成のOFTを新たに 導入 2次PMD (Depolarization)に起因する偏 波チャネル間のクロストークにより伝送性 能が劣化 時間 PC EDFA SMF IDF Pulse width 50 km 25 km ~600 fs ATT OFTC GVD 周波数 15 nm5 nm PC 1561 nm, 720 fs PC 40 GHz CLK MLFL EDFA 40 GHz 光フーリエ変換 時間軸上のパルス 波形への変換 1.28 2.56 Tbit/s MUX PPG 40 GHz 時間 時間波形歪みを個別に補償 80 Gbit/s 1.28 Tbit/s I PC SMF 時間 偏波分散補償 IQ Modulator 5 nm PC 光フーリエ伝送方式 PSK : Phase Shift Keying QAM : Quadrature Amplitude Modulation DSP : Digital Signal Processing 周波数 1-3 時間領域光フーリエ変換を用いた無歪み高速伝送 伝送信号のスペクトル形状は 変化してもよい M-PSK, QAM コヒーレント光源を用いた ヘテロダイン・ホモダイン伝送 / DSP 高い周波数利用効率の伝送 DWDM/OFDM 1G •①超多重化コヒーレント光伝送技術、②マルチコアファイバ技術、③マルチコア中継増幅 システム、の３つの革新的光通信技術の研究開発を通じて、現状の1000倍の性能を有 する光通信インフラの実現を目指す。 周波数 ・・・ ・・・ 時間 •2030年には現在の1000倍になると予測される情報通信量に対応する革新的光通信技 術を創出し、それによって日本の光産業を再生し世界の光通信産業と学術を牽引する。 時間 : On-Off Keying : Differential Phase Shift Keying DQPSK : Differential Quaternary Phase Shift Keying 100G TDM 2000 OOK DPSK 1T 40G 2.4G 光通信技術 の動向 光パワーの限界 光増幅器の帯域限界 100T 1G 1E 20 0 OOK, DPSK, DQPSK 超短（ピコ～フェムト秒）光パルス 伝送 超高速光伝送 ETDM/OTDM 120 1E Internet traffic [Gbit/s] 光ファイバ1本あたりの伝送容量 [bit/s] 国内のインターネットトラフィックの増加 LN Phase Mod. Optical Delay 100% Reflection Bit Error Rate 1-1 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -8 10 -9 10 -10 w/o OFT w/ OFT 2.56 Tbit/s Pol.-MUX Back-toback 1.28 Tbit/s Single-Pol. -31 -29 -27 -25 -23 -21 -19 -17 -15 Received Optical Power [dBm] www.nakazawa.riec.tohoku.ac.jp 2. コヒーレント光QAM伝送技術に関する研究 1000 0001 0101 1101 1001 0011 0111 1111 1011 0010 0110 1110 1010 75 km SLA 75 km SLA 0 1 Synthesiser fsyn=2.03 GHz LO -2 2-4 t BER QAM データ変調 パルス化 I data 周波数fc 0 .065 A 2 80 10 Gsymbol/s ) -35 -30 -25 -20 -15 符号誤り率特性 4.1 GHz -2 -1 0 1 2 3 Q t I パイロットトーン信号 周波数fc+f 光ファイバ伝送路 Back-to-back RZ-CW変換 Q I QAM 90度光 ハイブリッド Q 復調回路 局発 レーザ I 周波数fL DBM PD シンセサイザ fIF+f 光PLL回路 周波数fc+f 狭帯域 光フィルタ 周波数利用効率 (単一チャネル) 54 Gbit/s -60 -3 TDM多重化 負帰還 回路 クロック 抽出 10 GHz Received Power [dBm] = -50 10 80 Gsymbol/s fIF = fc－fL TDM 多重分離 Back-to-back -5 10 -40 (Tuneable Fibre Laser) Q data 光周波数 シフタ 2 -30 t t コヒーレント CW光源 -3 ( -20 RF frequency [GHz] 10 Gsymbol/s 10 -4 -10 800 Gbit/s-225 km OTDM-32 RZ/QAM コヒーレント伝送 FEC threshold 10 0 Local Oscillator Optical Filter (～2.5 nm) 10 GHz 10 Digital B-PD A/D Signal B-PD A/D Processor 90?Optical Optical Hybrid Pilot tone signal Filter DBM Demodulation Feedback PD bandwidth 20 Circuit (fc) =4.05 GHz 10 (BW: 400 MHz) S. Okamoto et al., ECOC2010, PD2.3 Pol-MUX bb(⊥) Pol-MUX bb(//) Pol-MUX 150 km (-4 dBm) (⊥) Pol-MUX 150 km (-4 dBm) (//) Estimated BER curve (bb) -1 PBC Baseband Signal Polariser (fc- 2.03 GHz) OFS: Optical Frequency Shifter PBC: Polarisation Beam Combiner FBG: Fibre Bragg Grating SLA: Super Large Area Fibre B-PD: Balanced Photo-Detector DBM: Double Balanced Mixer OOKの場合 (fc- 2.03 GHz) FBG (6 GHz) Prec Pump power = 500 mW 同位相 (I) 512 QAM (54 Gbit/s)-150 km伝送実験結果 10 +10 dBm Att Raman Pump (1.44 m) 同位相(I) 16 QAMのコンステレーションマップ (4 x 4 = 24 行列配置) 2-3 OFS (fOFS=2.03 GHz) -4 dBm Optical Filter ⊥ (～3 nm) Att Att EDFA PC PBS r θ QAM Signal 2.03 GHz Optical Frequency C2H2 FrequencyStabilised Fibre Laser 直交位相 (Q) 1100 Pilot IQ Mod. (fc) 2N QAMにより１チャネルの帯域でNビットを伝送させることが可能であり、 OOKに比べて周波数利用効率がN倍向上 0100 12 GSample/s Power [dB] 位相が90度異なる ２つの搬送波の振幅を独立に変調し、振幅と位相の 両方に情報をのせて伝送 直交位相(Q) Amplifier Arbitrary Waveform Generator QAM(Quadrature Amplitude Modulation: 直交振幅変調)の特徴: 0000 512 QAM (54 Gbit/s)コヒーレント光伝送 Intensity 2-2 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 伝送とは? OTDM 2-1 225 km 10 Gsymbol/s x 8 OTDM x 5 (32 QAM) x 2 (Pol-Mux) = 800 Gbit/s ・コヒーレントQAM伝送にOTDMを導入することにより、10 Gの シンボルレートで800 Gbit/s/ch-225kmの超高速・多値伝送を実現 ・RZ-CW変換法により高S/Nの復調を実現 ≒ 13.2 bit/s/Hz 150 km伝送後 3. 超高安定パルスならびに周波数安定化レーザに関する研究 3-1 超高安定 40 GHz PLL, 再生モード同期ファイバレーザ （e-traceプロジェクト、基盤研究S） 3-2 Cs 光原子時計 （総務省SCOPE-R） 位相敏感検波 (PSD) ロックイン アンプ Csガスセル 1.48 m LD PSD WDM COUPLER フィードバック 回路 位相変調器 PM - EDF PM - DSF 光マイクロ波発振器 (MLFL) 光パルスおよびマイクロ波出力 光マイクロ波 発振器 PZT COUPLER 1.2 20 2.2 nm (273 GHz) ISOLATOR Intensity [a.u.] OUTPUT DBM HIGH VOLTAGE CONTROLLER FEEDBACK CIRCUITS 3-3 0.8 2.5 ps 1.4 ps 0.6 0.4 0.2 0 -4 -3 -2 -1 0 1 Time [ps] 2 (a) 自己相関波形 3 4 -20 -40 Csガスセル -60 -80 1555 1560 1565 Wavelength [nm] (b) 発振スペクトル カーボンナノチューブを用いたフェムト秒ファイバレーザ Pump LD 980 nm Isolator 2m EDF Cavity Length : 4.7 m Coupler 50 % 50 % Output Polarization Controller SWNT塗布ポリアミドフィルム SWNT/PMMA -12 アラン分散から 見積った周波数 安定度 -13 10 -14 10 0 10 1 2 10 10 Averaging time [s] アセチレン(C22H22)周波数安定化ファイバレーザ（知的クラスター） 10 SWNT/ﾎﾟﾘｶｰﾎﾞﾈｰﾄ SWNT可飽和吸収体 t SHG Intensity [a.u.] 980/1550 WDM Coupler -11 10 -9 1.3×10-11 (1 s) 0 1.0 τSHG = 174 fs τFWHM = 113 fs 0.5 1.5 GHz -5 2.0×10-11 (100 s) -10 -10 -15 -20 -25 1.48 m LD -30 EDF -35 -40 1538.7 1538.72 1538.74 1538.76 PZT 1538.78 High voltage controller 10 -11 10 Feedback circuit -12 10 波長 [nm] 1 WDM coupler 0 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 Time Delay [ps] SWNTの特徴 ・赤外領域における高速な可飽和吸収(<1 ps) ・ナノチューブ径に応じた吸収波長 1.2 nm径1.5 m 0.8 nm径1.1 m ・ポリマーへの分散や基板・フィルムへの塗布に より小型・簡便な可飽和吸収素子を作製可能 中沢・廣岡・吉田研究室 tube 10 Cs 光原子時計の外観 3-4 With commercial Cs beam 商用ビーム管を用いた場合 With Cs gas cell Cs二重共鳴光セルを用いた場合 AIST primary standard AIST一次標準器 -10 アラン偏差 SYNTHESIZER CLOCK EXTRACTION CIRCUIT -9 10 10 MLP 10 100 積分時間 [s] Cavity length ~ 4 m (FSR= 49.0 MHz) FBG 周波数安定度 Lock-in amplifier Circulator 1.2 90/10 coupler 1 Coupler Feedback circuit EDF: Erbium-doped Fiber FBG: Fiber Bragg Grating MLP: Multi-Layer PZT C2H2 cell LN modulator Laser output PD 信号強度 [a.u.] PHASE CONTROLLER 0 反射率 [dB] AMP Intensity [dB] 1 COUPLER Allan standard deviation FILTER INTENSITY MODULATOR 0.8 4 kHz 0.6 0.4 0.2 0 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 周波数 [kHz] レーザ線幅 www.nakazawa.riec.tohoku.ac.jp
© Copyright 2024 Paperzz
