研究スタッフ
教

授：

中沢正隆

准教授：

廣岡俊彦

助

教：

吉田真人

1. 超高速光通信技術

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。本研究分野は、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。

時間
新たな光伝送・光信号処理技術

2. 先端光ファイバ技術

高純度フーリエ限界
超短パルス発生

超広帯域な光のものさし空間

3. 光周波数制御技術
周波数

主な研究テーマ
1. 超高速光伝送技術に関する研究
1-1

1-2

光通信技術の動向
光通信技術の動向

光フーリエ変換を用いた無歪み伝送（文科省特別推進研究）
光フーリエ変換を用いた無歪み伝送（文科省特別推進研究）
従来の伝送
従来の伝送方式
伝送方式

OOK, DPSK, DQPSK
超短（ピコ～フェムト秒）光パルス
超短（ピコ～フェムト秒）光パルス伝送
光パルス伝送超高速光ネットワーク
超高速光ネットワーク
100 Gb/sイーサネット
イーサネット

光通信技術の動向

・・・

時間

OOK
DPSK: On-Off Keying: Differential Phase ShiftKeying
DQPSK : Differential Quaternary
Phase Shift Keying

・・・
時間

高利用効率・大容量FTTH
高利用効率・大容量多値変調
・・・

周波数

∆τ

PSK : Phase Shift Keying
QAM : Quadrature Amplitude
Modulation
DSP : Digital Signal Processing

・・・

∆ν

PLL

Q
PPG

40 GHzPCQ
40 Gbit/s
215-1 PRBS

160 Æ
40 Gbit/s
DEMUX
EDFA SMF IDF
50 km 25 km
x13

975 kmファイバ伝送路
ファイバ伝送路

160 Gbit/s信号発生部
信号発生部
OOK
110EDFA
1:4
MUX

位相φ10 GHz

OFTC前
前

13 ps

110シフタSMF
位相φシフタ

光フーリエ変換回路(OFTC)

1ATT EDFA 1bit バランスド 誤り率
遅延 光検出器
測定器
干渉計

OFTC後
後

3 ps

2.6 ps
光パルスの間の位相差を0と光パルスの間の位相差を とπで変調する伝送技術

中沢・廣岡研究室

入力スペクトルに対する厳しい規定はない

時間

時間波形歪みを個別に補償
光フーリエ変換
時間軸上のパルス波形への変換

伝送信号のスペクトル形状は保存される必要あり

PM

GVD

周波数

光ファイバ

時間
CLK

フーリエ限界(TL)パルスを使用∆τ∆ν=0.44 (Gauss型)

全ての線形歪みを一括して除去

160 Gbit/s-1,000 km伝送結果
伝送結果
伝送結果
10-410-510-61010

Back-to-back
975 km (without OFTC)
975 km (with OFTC)-7-8-93.1 ps

光パルスのìì なし(0)î
のみの伝送技術
光パルスの ある(1)î
あるなし

DPSK

PC
EDFA

PC
CLK

1-4

40 GHz
位相変調器

Bit Error Rate

40 Æ
160 Gbit/s
MUX

時間偏波分散偏波分散補償
分散補償

周波数 ∆τ∆ν=0.32 (Sech型)

時間領域光フーリエ変換を用いた160Gbit/s-1,000 km DPSK伝送
伝送
時間領域光フーリエ変換を用いた
時間領域光フーリエ変換を用いた
伝送40 GHz
DPSK
変調器
モード同期
ファイバレーザ

光ファイバ

時間周波数

1-3

高次分散
高次分散補償
分散補償
分散適応等化

光フーリエ伝送方式
光フーリエ伝送方式

M-PSK, QAM
コヒーレント光源を用いた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

高周波数利用効率伝送
DWDM/OFDM

ジッタ除去
ジッタ除去

伝送信号のスペクトル形状は変化してもよい受信部(クロック抽出、多重分離
受信部 クロック抽出、多重分離,クロック抽出、多重分離
OFT, DPSK復調復調)
復調

10-10
10
10-11-34 -32 -30 -28 -26 -24 -22

Power Penalty at BER = 10-9, dB

超高速光伝送ETDM/OTDMOOK w/o OFTCDPSK

w/o OFTC

w/ OFTC

w/ OFTC

ASE limit(NF = 5 dB)

Received Optical Power [dBm]

符号誤り率測定結果

伝送距離とパワーペナルティの関係

・東京－大阪の160Gbit/s伝送が可能
伝送が可能
・東京－大阪の・320 Gbit/sへの挑戦
への挑戦

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
2-1

2-2

QAM伝送とは伝送とは?
伝送とは伝送とは光の位相を利用したコヒーレントQAM伝送の特徴
伝送の特徴光の位相を利用したコヒーレント
光の位相を利用したコヒーレント伝送の特徴

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

無線およびメタルケーブル伝送の問題点

マイクロ波伝送z 位相が度異なる ２つの搬送波の振幅を独立に変調し、振幅と位相の位相が90度異なる両方に情報をのせて伝送

Obstacle

Transmitted
point-フェージングによる位相
フェージングによる位相揺らぎ
フェージングによる位相揺らぎ-雨・霧による散乱
雨・霧による散乱により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、ビットを伝送させることが可能であり、z 2N QAMにより１チャネルの帯域でにより１チャネルの帯域で 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に比べて周波数利用効率がN倍向上に比べて周波数利用効率が 倍向上
直交位相(Q)
直交位相
0100

1100

0001

0101

1101

(Q)

直交位

Metallic cable00011

0111

1111

101100100110

1110

1010

1

同位

同位相(I)
同位相(I)

QQ

任意波形発生装置-広い
広い伝送帯域が実現可能
広い伝送帯域が実現可能

1 Gsymbol/s, 64 QAM 150 km伝送実験結果
伝送実験結果2-42.5 GHz

Optical Frequency

QAM(//)

コンステレーション
マップ

光フィルタ (～～5nm)

Orthogonal polarization （ Back-to-back））
Orthogonal polarization (150 km transmission)
Parallel polarization (Back-to-back)
Parallel polarization (150 km transmission)

PBS Att
DSF
75 km

(MUX)

(fOFS =2.5 GHz)FBGIF Signal
fIF=fsyn+fOFS=4 GHz

PD
PBS

10 Mb/s~1 Gb/s

QAM data Pilot
signalIntensity

QAM(⊥) Delay Line⊥

QAMデータ
データ
変調器

Att

10 Gb/s~40 Gb/s
per wavelength

User accessnetwork

OFS
パイロット信PC-光ファイバには雨が降らない
光ファイバには雨が降らない

100 Gb/s~1 Tb/s
per wavelength

OOKの場合の場合

QAMデータ
データ
変調器

EDFA

-フェージングがフェージングが生じない
フェージングが生じない

Integrated global
network
Regional IP backbone
network

I
I

任意波形発生装置

コヒーレントQAM光伝送の特徴
光伝送の特徴コヒーレント

光ファイバ伝送1001r
θ

1 Gsymbol/s, 64 QAM偏波多重
偏波多重 (12 Gbit/s) 伝送実験系

C2H2周波数安定化
周波数安定化
ファイバレーザ-伝送帯域が伝送帯域が狭い
伝送帯域が狭い

1000

16 QAMのコンステレーションマップのコンステレーションマップ
(4 x 4 = 24 行列配置
行列配置)
配置

2-3

Received
point⊥(A/Dアイパターン(I)

ディジタル信処理装置

10-310-410-5or ⊥)(DEMUX)

DBM
PD

EDFA: Erbium-doped Fiber Amplifier
PC: Polarization Controller
OFS: Optical Frequency Shifter
PBS: Polarization Beam Splitter
DSF: Dispersion-shifted Fiber
FBG: Fiber Bragg Grating
PD: Photo-detector
DBM: Double Balanced Mixer

DSF
75 km
Bit Error Rate

0000

Free space

アイパターン(Q)(fsyn= 1.5 GHz)-38

-36-34-32-30-28-26

Received Power [dBm]

フィードバック回路

シンセサイ

符号誤り率の測定結果(a) 150 km伝送後伝送後（垂直偏波成分）
受信電力：：-26 dBm
受信電力LO(周波数トラッキングファイバレーザ周波数トラッキングファイバレーザ)
周波数トラッキングファイバレーザ(b) 150 km伝送後伝送後（平行偏波成分）
受信電力：：-26 dBm
受信電力

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
超高安定
超高安定 40 GHz PLL, 再生モード同期ファイバレーザ
再生モード同期ファイバレーザ（e-traceプロジェクト）
プロジェクト）（（プロジェクト）3-2

Cs 光原子時計）
総務省
総務省
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ガスセルガスセル
1.48 µ 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)ISOLATOROUTPUTSYNTHESIZER

CLOCK
EXTRACTION
CIRCUITDBM

0.8

1.4 ps

0.40.20-4 -3 -2 -1 0

HIGH VOLTAGE
CONTROLLER

1Time [ps]FEEDBACKCIRCUITS

3-3

2.5 ps

0.6230-20-40

Csガスセル
ガスセル-60-8041555

15601565

Wavelength [nm](a) 自己相関波形(b) 発振スペクトル

波長1.55µµm帯光周波数高精度制御技術
帯光周波数高精度制御技術（知的クラスター）
波長帯光周波数高精度制御技術
波長帯光周波数高精度制御技術（知的クラスター）（知的クラスター）
周波数安定化ファイバレーザの開発

分子吸収セル
高安定FP共振器

・光の位相情報を用いたコヒーレント通信システム

分光計測分野・コヒーレント長（可干渉距離）＞1000 km

C2H2

周波数

周波数安定化モード同期ファイバレーザ
ロック・縦モード間のビートによるマイクロ波、ミリ波、THz波 (数10 GHz〜数THz)の発生

繰り返し周波数 数10 GHz（周波数安定化コム発生）

光周波数標準信号

・・・

2・・・
C2H2

中沢・廣岡研究室

周波数レーザ出力信号
光の遠隔供給・・・

10-9

1.3××10-11 (1 s)
1.5 GHz

2.0××10-11 (100 s)-20-25

1.48 µm LD-30EDF-35
1538.721538.741538.76

PZT

1538.78マイクロ波〜
ミリ波信号
・・・

High voltage
controller

10-1010-1110-12Feedback
circuit

波長 [nm]

1WDM coupler

MLP

10100

積分時間 [s]Cavity length ~ 4 m(FSR= 49.0 MHz)

FBG

周波数安定度Lock-in
amplifierCirculator

1.290/10 coupler
1・光ファイバ伝送路を用いた光周波数標準信号の遠隔供給システム

分子吸収セル・線幅＜100 Hz110Averaging time [s]-151538.7

光標準・マイクロ波分野

周波数安定化単一モードファイバレーザ

010-10-40

・単一モード半導体レーザ（線幅~10 kHz）の2桁以上の高分解能分光

AWGなど

反射率 [dB]

縦モード抽出

特にアセチレンC2H2分子吸収線へのロック-141010

次世代大容量フォトニックネッ
トワーク技術への展開
・高密度波長多重伝送システ
ムにおける伝送信号変調

ファイバリングレーザ

アラン分散から見積った周波数
安定度-13100光通信分野

狭帯域光フィルタ

安定化用フィードバック回路

-12

10

アセチレン(C周波数安定化ファイバレーザ
アセチレン
アセチレン 22H22)周波数安定化ファイバレーザ
周波数安定化ファイバレーザ-5

狭帯域光フィルタ

-1110

Cs 光原子時計の外観

3-4

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

様々な産業への応用

FBGフィルタ

ファイバレー
ザ-91010

アラン偏差

PHASE
CONTROLLER

1Intensity [dB]

Intensity [a.u.]

COUPLER

AMP

Allan standard deviation

FILTERINTENSITY
MODULATOR

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.]

3-1

0.8

4 kHz

0.6
0.4
0.2
0-20 -15 -10-505101520

周波数 [kHz]
レーザ線幅

www.nakazawa.riec.tohoku.ac.jp