可変容量光直交周波数分割多重信号の分離技術に関する研究
Research on demultiplexing technology of variable capacity optical OFDM signal

１．研究の目的
図 1 に示すように、光 OFDM は、互いに直交した複数のサブキャリアチャネル信号を信号のシンボルレート間隔で高密度周波数多重化する多重化方式である。
各チャネルには多値変調信号を用いることができ、偏波多重、空間多重など他の多重化技術も共用できるため、非常に高い周波数利用効率を実現することができ

瀧口 浩一 (Koichi TAKIGUCHI, Ph. D.)る。また、各チャネルの信号シンボルレートは比較的立命館大学 理工学部 電気電子工学科 教授

低速であるため、ファイバ中の波長分散、偏波分散へ(Professor, Ritsumeikan University, College of Science andEngineering, Department of Electrical and ElectronicEngineering)の耐性が高い利点もある。

IEEE OSA SPIE 電子情報通信学会 応用物理学会
受賞：IEE Electronics Letters, Premium Award (1997)

電子情報通信学会 エレクトロニクスソサイエティ, 活動功労表彰 (2011)

電子情報通信d0, d1, ・・・・・ ・, dN-1

学会 エレクトロニクスソサイエティ, 活動功労表彰 (2014)
研究専門分野：光エレクトロニクス 光通信 光波センシング

あらましOrthogonal

光 直 交 周 波 数 分 割 多 重 （ Orthogonal

Frequency Division Multiplexing：OFDM）は、複数

Frequency fのサブキャリアチャネル信号を信号のシンボルレート

f = Symbolrate間隔で、互いに直交させて周波数多重する光通信方式である。各チャネル信号には多値変調を行うことがで

図１

OFDM 信号のスペクトルき、偏波多重、空間多重など他の多重化技術も併用できるため、非常に高い周波数利用効率を実現することができる。また、各チャネルの信号シンボルレートは

OFDM 信号の分離、生成には、それぞれ、離散フー比較的低速であるため、ファイバ中の波長分散、偏波リエ変換（Discrete Fourier Transform：DFT）／高分散への耐性が高い。光 OFDM は、固定容量光通信速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：FFT）、逆への適用の他に、通信トラヒック、伝送距離の変動に離散フーリエ変換（Inverse DFT：IDFT）／逆高速フ応じて必要最小限の帯域を適応的に割り当てる次世代ーリエ変換（Inverse FFT：IFFT）が必要である。地光ネットワークのガードバンド削減にも有効である。

上デジタルテレビ放送や無線 LAN 用の OFDM 信号と本研究では、可変容量光 OFDM 信号の光領域での高異なり、次世代光通信におけるサブキャリアチャネル

速、低消費電力な直接分離に必要な適応的な光フーリあたりのシンボルレートは数 10 Gbaud と格段に高く、エ変換処理を、位相変調器と可変波長分散エミュレー

トータルの伝送速度は 100 Gbit/s を超えるため、電子タ構成によって実現し、原理的な動作検証に成功した回路によるサブキャリア信号の実時間分離は、動作速ので、その概要について報告する。

度の限界、消費電力の増大のため難しくなっている。
1

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DFT/FFT 処理を光領域で行い、光 OFDM 信号を光領

Bragg Grating：FBG）、ファイバ中の非線形光学効果域で直接分離できれば、電子回路で律速される限界をなどを活用した手法が報告されている[3]。筆者も、対超える高速実時間処理を低消費電力で実行可能となる

称 MZI 編込型、スターカプラ型、多モード干渉計型なため、その実現が期待されている。従来、チャネル数、どの光導波回路構成の光 DFT/FFT 回路を提案、実現

およびチャネルあたりのシンボルレートが固定されたすることによって、光領域での分離手法の進展に貢献

光 OFDM 信号を、光領域で分離する手法は検討されしてきた[4]-[6]。これまでに、光回路として最高水準てきたが、これらを柔軟に変化させた可変容量光の、10 サブキャリア、総処理能力 100 Gbaud クラス

OFDM 信号の光領域分離に関しては検討が行われての光 OFDM 信号分離回路を実現している。

いなかった。本研究では、位相変調器と可変波長分散

しかしながら、適応型光ネットワークに必要であるエミュレータとから構成される適応型光フーリエ変換

チャネル数・シンボルレート可変の光 OFDM 信号の処理回路を新規に提案、構成し、これを用いることに光領域での分離手法は、報告されていなかった。

よって可変容量光 OFDM 信号の光領域分離を実現することを目標とした。次世代の適応型光ネットワーク

３．研究の方法

では、チャネル間ガードバンド*1 を削減し、通信トラ

図 2 に、時間レンズ*2 法[7][8]に基づいた可変サブキ

ヒック、伝送距離の変動に応じてチャネル数、チャネャリアシンボルレート光 OFDM 信号用の光フーリエル毎のシンボルレート、変調フォーマットを柔軟に変変換回路を示す。LN 位相変調器（帯域 32.0 GHz、半化させて必要最小限の帯域を使用し、効率的な周波数

波長電圧 4.1 V、損失 2.3 dB）、FBG 型可変波長分散割当を行うことによってネットワーク資源の節約を図エミュレータ（波長分散生成範囲±400 ps/nm、帯域ることを目指している[1]。しかしながら、ネットワー

80 GHz、損失 3.4 dB）から構成されている。信号のクアーキテクチャに関する検討は進展しているが、ハ各時間スロットに 2 次関数形状の位相変調、すなわちードウェアの要となる光デバイスについての検討はほ線形周波数チャープ（角周波数チャープレート K）をとんど行われていない。本研究は、このような適応型付与し、その後、波長分散エミュレータによって群遅光ネットワークの進展にハード面（光デバイス）から延分散 D を付与する。D=1/K の関係が成立するよう寄与可能であると考えられる。にパラメータ設定を行えば、時間領域での光フーリエ変換を行うことができる。周波数f 間隔の OFDM サ２．研究の背景ブキャリア信号が、光フーリエ変換によって2002 年に NTT から、2 サブキャリアチャネル信号

t=2f/K 間隔のナイキスト時分割多重パルスに変換を用いた世界初の光 OFDM に関する報告がなされ、信される。これは、サブキャリア信号が時間的に分離さ号の分離には非対称マッハツェンダ干渉計れることに相当する。両素子とも動作パラメータの可（Mach-Zehnder Interferometer：MZI）型光 FFT 回変調整は容易であるため、任意容量の光 OFDM 信号路が用いられた[2]。その後、2007 年から光 OFDM にの分離が可能である。

関する研究開発が本格的に開始され、当初は、モナッ

時間レンズ法は光通信用途として、ファイバの波長シュ大、メルボルン大、KDDI、ベル研、NTT、NEC分散スロープによって劣化した短光パルス信号（パルアメリカなどを中心として、電気領域でのオフラインスの立ち下がり部にリップルを発生）の等化に適用さ処理による信号分離が検討された。その後、光領域でれている（光フーリエ変換による、時間波形とスペクの分離手法の検討も再開され、韓国 IC 大、NTT、カトルの入れ替え）[8]。また、固定容量の光 OFDM 信ールスルーエ工大、モナッシュ大、ベル研、NEC アメ号の分離へ適用した例も報告されている[9][10]。光通リカ、清華大、NICT、ローマ大、ベルリン工大、デン信で用いられる数 10 Gbaud の信号に対応した、位相マーク工大、富士通・HHI などから、光導波回路、バ変調器駆動用の繰り返し数 10 GHz の 2 次関数形状電ルク光学系、ファイバブラッググレーティング（Fiber圧を生成することは難しい。任意波形発生器の使用は2TELECOM FRONTIER No.92 2016 SUMMER

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大幅なコスト増を招く。通常の信号発生器で容易に生の特徴を放棄してしまっている。

成可能な余弦波は、限られた時間範囲内で 2 次関数波

本研究では、2 次関数形状の位相変調器駆動電気信形を精度良く近似できる。文献[8]では、短光パルスが号の近似波形を、2 台の信号発生器を用いて簡便に生対象であるため、余弦波の限定時間領域を活用するこ成し、可変波長分散エミュレータを用いることによっとによって分散スロープの等化を行っている。また文て可変サブキャリアシンボルレートの光 OFDM 信号

献[9]でも、文献[8]と同様に余弦波の限定時間領域を用の分離を行う手法を新たに提案した[11]。2 次関数のいている。本来 OFDM のサブキャリア信号には、NRZフーリエ級数展開から、周波数f の余弦波と、振幅が（Non-return-to-zero）パルスが用いられるが、文献

その 1/4 で、位相がずれた周波数 2f の余弦波を合波[9]では、タイムスロットの半分の時間をガードインタすれば、周期 1/f の 2 次関数の近似波形を生成できーバルに充てることによって余弦波の限定時間領域をる。この近似電気信号は、同期した 2 台の信号発生器活用している。そのため、サブキャリア信号は RZから容易に生成できるため、これを用いて位相変調器（Return-to-zero）形状となり、周波数利用効率が半を駆動する。K, D の可変可能範囲内で、任意シンボル減するため、高周波数利用効率であるという OFDMレートのサブキャリア信号を分離することができる。

( 1 )i
Kt 2KKcos( 2 i  ft )
224 f 2 2 2  f 2 i 1 i 2K24 f2

K2  f22

[  cos( 2 ft ) cos( 4 ft )]4Spectrum of
OFDM signal

12 ft12 f)

Dispersion tuning range: ±400 ps/nm
Bandwidth: 80 GHz, Loss: 3.4 dB

Bandwidth: 32.0 GHz
V: 4.1 V, Loss: 2.3 dB

Input OFDM signal(FBG-type tunablechromatic dispersion
emulator

LN phasemodulator

K n ( t  f )22 n fOutput signal
Nyquist TDM signal(demultiplexed signal)
t=2f/K+FrequencyTimef2fSG1

Kn
 cos[ 2f ( t  f )]22 f 2 n 

図２SG2
K
ncos[ 4 f ( t )]
22 8 f n f

OpticalElectrical

可変容量光 OFDM 信号用の光フーリエ変換回路

3TELECOM FRONTIER No.92 2016 SUMMER

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現所有機器で実現できる範囲にて、上記の可変サブ

キャリアシンボルレート OFDM 信号用分離回路の検2 cD （c：真空中の光速、：波長）
2証実験を行った[11]。図 3, 4 それぞれに、サブキャリの関係がある。なお、図 3 における全分離チャネルのア信号を OOK（On-off keyin）信号とした、4 x 8 Gbit/s、Q 値、符号誤り率は、それぞれ、5.0 以上、3.2 x 10-7

4 x 10 Gbit/s の光 OFDM 信号の分離結果を示す。図以下、図 4 における全分離チャネルの Q 値、符号誤り

3, 4 において、(a), (b), (c)はそれぞれ、OFDM 信号の率は、それぞれ、4.5 以上、2.8 x 10-6 以下であった。

スペクトル、OFDM 信号のアイパターン、分離サブキ

なお Q 値は、分離された 2 値信号の平均値、分散値かャリア信号を示す。図 3 では、角周波数チャープレーら評価し、符号誤り率は Q 値から算出した。これらのト K=2.16 x 10

ps 、波長分散=-360 ps/nm、図 4結果より、図 1 の可変容量 OFDM 信号分離回路によ

では、K=2.74 x 10-3 ps-2、=-280 ps/nm にパラメーって、可変シンボルレートサブキャリアが時間領域でタを設定して分離を行った。波長分散と群遅延分散分離できていることがわかる。

-3-2D との間には、

023-20-30-40-50

23-20-30-40-50-60-60-701552.2

CH0 1-10

Level (dBm)

Level (dBm)

-100
CH0 1

1552.41552.6

1552.8-701552.2

1553.01552.41552.6

1552.81553.0

Wavelength (nm)Wavelength (nm)(a) OFDM信号のスペクトル(a) OFDM信号のスペクトル50 ps

50 ps00(b) OFDM信号のアイパターン(b) OFDM信号のアイパターン

33CH0 50 ps

CH050 ps00(c) 分離信号のアイパターン(c) 分離信号のアイパターン

図３ 光 OFDM 信号の分離結果（4×8 Gbit/s）

図４ 光 OFDM 信号の分離結果（4×10 Gbit/s）

4TELECOM FRONTIER No.92 2016 SUMMER

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Research on demultiplexing technology of variable capacity optical OFDM signal[2] H. Sanjoh et al., “Optical orthogonal frequency
division multiplexing using frequency/time domain
filtering for high spectral efficiency up to 1 bit/s/Hz,”in Proc. OFC2002, paper ThD1, 401-402, Anaheim.
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[4] K. Takiguchi et al., “Demultiplexer for opticalorthogonal frequency-division multiplexing using an
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34, pp. 1828-1830, 2009.
[5] K. Takiguchi et al., “Optical orthogonal frequencydivision multiplexing demultiplexer using slab starcoupler-based optical discrete Fourier transformcircuit,” Opt. Lett., vol. 36, pp. 1140-1142, 2011.
[6] K. Takiguchi et al., “Integrated-optic OFDM
demultiplexer
using
multi-mode
interference
coupler-based optical DFT circuit,” in Proc. OFC2012,
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[7] V. Howe et al., “Ultrafast optical signal processing
based upon space-time dualities,” J. Lightwave
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2530-2540, 2006.
[9] Y. Li et al., “Experimental implementation of an
all-optical OFDM system based on time lens,” Opt.
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[10] P. Guan et al., “Real-time all-optical OFDM
transmission system based on time-domain optical
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[11] K. Takiguchi et al., “Tunable optical OFDM signal
demultiplexer using time-domain optical Fouriertransformation,” in Proc. Advanced Photonics 2016,
paper SpM3E.3, Vancouver.
[12] K. Takiguchi et al., “Integrated-optic filter forvariable symbol rate optical OFDM signals,” in Proc.
IPC2015, paper TuF3.3, Reston.
[13] K. Takiguchi, “Integrated-optic Demultiplexer forvariable capacity optical OFDM signals composed ofslab star coupler-type optical DFT circuit and variable
optical attenuators,” to be presented at ECOC2016,
Dusseldorf.

４．将来の展望
現所有機器の制限から、4 x 8 Gbit/s、4 x 10 Gbit/sの比較的低速の光 OFDM 信号を用いて、本研究で提案した可変光 OFDM 信号分離回路の原理検証を行った。今後は、光領域処理の有用性（高速性、低消費電力）を明確に示すため、サブキャリア数、および各サブキャリアのシンボルレートを増加させ、数 100Gbit/s クラスの可変光 OFDM 信号の分離も可能であることを示すことが重要である。また、今回は個別素子を用いて検討を行ったが、将来的には、光回路の安定化、小型化、低消費電力化のため、導波回路を用いた一体集積化を実現することも大事である。
筆者らは、集積光フィルタ構成の可変光 OFDM 信号分離回路の検討も並行して進めている[12][13]。本研究の光回路、集積フィルタ型光回路の両方とも、基礎検討の段階にあるが、今後、計算、および実験検討による両方の特性把握を進め、特性の優劣、および最適使用形態を明らかにしていく予定である。
本研究も含め現状では、光 OFDM 用回路の検討は大部分ポイント・ツー・ポイント光伝送に限定されているが、今後、容量可変のアド／ドロップマルチプレキシング、クロスコネクトなどの適応型の光ネットワーク用途に本格的に展開させていく必要があると考えられる。
用語解説*1 ガードバンド
通信システムにおいて、隣接する周波数帯域を利用する別のシステムとの干渉を防ぐために設けられる未使用の周波数帯域*2 時間レンズ
光の空間パターンがフレネル回折により広がることと、光パルスの波形が群速度分散により広がることは、数学的に同等の方程式に従う。このアナロジ
ーにより空間のレンズに対応したもの
参考文献

この研究は、平成２４年度ＳＣＡＴ研究助成の対象と[1] O. Gerstel et al., “Elastic optical networking: a newdawn for the optical layer?,” IEEE Commun. Mag.., vol.
50, pp. S12-S20, 2012.

して採用され、平成２５～２６年度に実施されたものです。

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