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

助

葛西恵介

教：

（プロジェクト特任）

研究目的
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。

行政機関

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
1-1

光通信インフラの飛躍的な高度化の重要性

1-2 超高速パルス伝送とコヒーレント多値伝送の融合による光通信の高度化

1E超高速光伝送
OTDM/ETDM

1P

OOK, DPSK, DQPSK
超短（ピコ～フェムト秒）
光パルス伝送120

1EInternet 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
100

1 Tbit/s@2009年

80

年率40%の増加

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

60402001999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Year

光パワーの限界
光増幅器の帯域限界

100T
WDM
第１のイノベーション
EDFA, WDM

1T

400M

1G
100M

1980

10Gx80EDFA
10G

ムーアの法則

1.6G

1990

TDM

2000

Time

100G
TDM: 時間多重
WDM: 波長多重

2010

高周波数利用効率伝送
DWDM/OFDM

1G2020•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。

新たに提案している光ナイキストパルス伝送
=0 = 0.5

=11 
1,0 | f |2T 11
 1  R( f )   1  sin  (2T | f | 1) ,
| f |2T
 2
  2T2 1
0,| f |
2Tr (t ) sin(t / T ) cos(t / T )t / T 1  ( 2t / T ) 2

T: シンボル間隔
: ロールオフ率

光ナイキスト
パルス伝送

Gauss, Sech

Nyquist pulse

超高速・高密度光伝送の実現

M-PSK, QAM, OFDM
ディジタルコヒーレント伝送•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。

1.3

OTDM/RZ-QAM

QAM

1T
40G

2.4G

RZ-OTDM

Frequency

1.4

光ナイキストパルスを用いた超高速・高効率光伝送
Optical Nyquist pulse train
25 psMultiplexer
40G

Demultiplexer(Optical sampler)

160G
6.25 ps

40G

Optical Fiber

40G

40G

40G

40G

Multiplexed
OTDM signal

40G

Time

40G

-3-3

1010

GaussianNyquist
-4-4

=125

光ナイキストパルスの周波数スペクトルと時間波形

光ナイキストパルスの時間多重• 光ナイキストパルス：ナイキストフィルタのSinc関数的なインパルス応答と同じ形状を有する光パルス• シンボル間隔ごとに強度が常にゼロとなるため、符号間干渉を生じることなく超高速時間多重が可能中沢・廣岡・吉田研究室

Power [mW]

20

=010
1.28 Tbit/s
525 km(Pol-Mux.)-510-610-710640 Gbit/s
525 kmSingle-pol.

-815101010-9

Bit Error Rate

 = 0.5

Bit Error Rate

1001.56 ps/div

ナイキストパルスとその640 Gbaud OTDM

-610-710640 Gbit/s
525 kmSingle-pol.

-810-9Back-toback

10-10105

1.28 Tbit/s
525 km(Pol-Mux.)-510-10-32 -30 -28 -26 -24 -22 -20 -18
Received Optical Power [dBm]

10Back-to-back-32 -30 -28 -26 -24 -22 -20 -18
Received Optical Power [dBm]1.28 Tbit/s/ch-525 km 偏波多重DPSK伝送結果

M. Nakazawa et al., Opt. Exp., 20, 1129 (2012).

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
QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 伝送とは?

2.2

シャノンリミット

QAM(Quadrature Amplitude Modulation: 直交振幅変調)の特徴:

1101

C/W (bit/s/Hz)

1001

0011

0111

1111

1011

0010

0110

1110

1010r
θ

0

同位相 (I)Qin = 送信信号のS/N

C/W：周波数利用効率

2.4

1.92 Tbit/s, 64 QAM超高速コヒーレントRZパルス伝送
fclock= 9.95328 GHz
C2H2 frequencystabilized
fiber laser

PC AttAmplifier
IQ Mod.

AWG 10 Gsymbol/s, 64 QAM
Transmission line
10 →160 Gsymbol/s
PC ( ) PBC
OTDM
MUX
SLA+IDFSLA+IDFPC ( )

SMF
Pulse
shaperComb
generator
EDFA

IQ mod.

Raman
Raman
-1 dBm Pump -1 dBm Pump

CW source

Optical Filter(3.5 nm)
AttY

PBS

Optical filter (0.7 nm)

B-PD
B-PD

A/D
A/D

90°

B-PD
B-PD

A/D
A/D

PC

Digital Signal
Processor

DBM

PD

PC
CW-LO

150 kmQ EVM: 3.2 %Back-to-back (⊥)
Back-to-back (/ /)After 150 km (⊥)
After 150 km (/ /)2Q EVM: 4.9 %Feedback
Circuit

Synthesizer
fsyn=2.03 GHz
Local
Oscillator

PC・Linewidth: 4 kHzI

Optical Filter ( 2.5 nm) (Tunable Fiber Laser)

周波数利用効率 (単一チャネル) =0 km

ControlPhase
pulse
source Att. shifter

YEtalonLO

Clock

Loopfilter
10 GHzPDX

90°

60 Gbit/sI

150 km伝送後

345-30≒ 13.8 bit/s/Hz

4.05 GHz x 1.07

(FECオーバーヘッド)

Y. Koizumi et al., Opt. Exp., 20, 12508 (2012)

Coherent
pulse

160 →
RZ-CW conversion circuit Prec.
10 Gsymbol/s
90 deg. B-PD A/DLN
NOLM
DSP
optical
DCF phase mod. Att.
hybrid B-PD A/D(/ /)4fclock

伝送前

75 km

(⊥)

LN-PMPrecPCPC

OPLL circuit

PBC
40 Gsample/s
90°
Optical HybridAtt75 km

Narrow bandfilter

X

PCOFS
(fOFS=2.03 GHz)

BERout = 受信部の誤り率

 E CC log 2 1  bW
 N0 W 

OOKの場合12Gsample/s

PC

FEC: Forward Error Correction（誤り訂正符号）シャノン-ハートレーの定理(Shannon-Hartley Theorem)

3 Gsymbol/s 1024 QAM signal
・Nyquist raised cos. filter (roll off = 0.35)

75 km SLA

シャノンの通信路符号化定理(Noisy-channel Coding Theorem)

同期検波を前提として、BER = 10-4におけるEb/N0を示す。

1同位相(I)-log(BER)

0101

偏波多重3 Gsymbol/s, 1024 QAM (60 Gbit/s)
コヒーレント光伝送

75 km SLA代)

0001

C2H2 Frequency EDFA PC
Stabilized Fiber
Laser(第1世Qin (dB)

Eb/N0 (dB)1000

16 QAMのコンステレーションマップ
(4 x 4 = 24 行列配置)

Arbitrary
Waveform
Generator

FEC

直交位相 (Q)
C: チャンネル容量 (bit/s), W: 周波数帯域幅 (Hz)Eb/N0: 1ビット当りのエネルギー対雑音電力密度比2.3)

1100

現状の光通信

S/Nの減少直交位相(Q)
0100

164FEC (第2世代

OOKに比べて周波数利用効率がN倍向上

M-QAM

FEC無し

25664

FEC (第3世代)

 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、

0000(-1.6 dB)
我々のターゲットシャノンリミット（容量限界）
1024
シャノンリミット（符号化限界）

 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

BERout2-1-25-20-15-10

Received power [dBm]

D. Odeke et al., Opt. Exp. 21, 22808 (2013).

3. 高安定・超短パルスレーザならびにマルチコアファイバに関する研究
Pump LD
980 nm位相敏感検波 (PSD)
ロックイン
アンプ

Csガスセル

PSD

Cavity length
35.6 mOutputCoupler
10%90%Polarization
Controller

0.6912 fs

0.4
0.2
0-10 -7.5 -5 -2.5

10With commercial Cs beam tube
商用ビーム管を用いた場合
With Cs gas cellCs二重共鳴光セルを用いた場合
AIST primary standard
AIST一次標準器-10102.557.510-10Graphenesaturable absorber-11

市販の粉末グラフェンをDMF中に分散させ、レーザデポジション法でファイバ端面に付着

10-12

アラン分散から見積った周波数
安定度

10-1310パルス幅 :912 fs
繰り返し周波数 : 5.6 MHz
平均出力パワー : 1.2 mW-14100Time [ps]

出力時間波形-9010

Cs 光原子時計の外観

3.3Isolator

光マイクロ波発振器(MLFL)
光パルスおよびマイクロ波出力

Allan standard deviation

Csガスセル

10.8

WDM Coupler EDF (7100 ppm)
フィードバック回路

位相変調器

光マイクロ波発振器

グラフェンを用いた受動モード同期ファイバレーザ

3.2Intensity [a.u.]

光励起Csガスセルを用いたCs光原子時計

Intensity[dBm]
Power [dBm]

3.1

12

10

Averaging time [s]10

空間多重伝送用マルチコアファイバ

3.4

Ch.2・・・Core pitch 35 m

45 m

37 m

-50

1.555

1.565

1.57

Made by stack-anddraw method

Input pulse

1 s ( Spatial resolution
Timeof OTDR is 100 m)

7-channel OTDR

Cladding
diameter

200 m150 m225 mLoss

0.23 dB/km

0.18 dB/km

0.199 dB/km

Aeff

72 m280 m288 m2

 n ,1 ( L ) Crosstalk- 42 dB/km- 92 dB/km-55~-49 dB/km(Here, K is neglected since
it is a very small quantity.)

Reference

J. Sakaguchi et al.
(NICT, Furukawa,Optoquest), OFC2012,PDP5C.1.

T. Hayashi et al.
(Sumitomo), OFC2011,OWJ3, PDPC2.

H. Takara et al. (NTT,Fujikura, Hokkaido
Univ., DTU), ECOC2012,
Th3.C.1.

Core pitch

46 m

Cladding diameter

217 mFiber length

2.9 km4

中沢・廣岡・吉田研究室

1.56

WaveLength[um]出力光スペクトル波形
時間バンド幅積：0.33 （Sech型パルス）

Combiner

Ch.712-40-60

MCF

72.9 nm-30

マルチコアファイバの長手方向におけるモード結合変化の測定

Ch.1# of cores 19-20

30.20 dB/km

Original backscattered signalsPbsn
 2hn ,1 L  K
Pbs 1

251

67

Mode coupling ratio(Optical pulse was coupled into Core 1)
M. Nakazawa et al., Opt. Express, 20, 12530 (2012).

www.nakazawa.riec.tohoku.ac.jp