研究スタッフ
教

授：

中沢正隆

助

手：

吉田真人

研究員：

助

手：

ﾜｲﾔﾎﾟｯﾄ ｽｯﾀﾜｰｽﾝﾄｰﾝ

廣岡俊彦

研究員：

鈴木

研究目的

聡人

1. 超高速光通信技術

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空間

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

3. 光周波数制御技術
周波数

主な研究テーマ
1. 超高速光通信技術に関する研究
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）
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）

1-2

従来の伝送方式ttt

フーリエ限界パルスを使用する∆τ∆ν=0.44 (ガウス型)∆τ∆ν=0.32 (Sech型)

線形信号の場合

入射波形

出射波形

ï 高速・長距離WDM伝送が可能なDM（分散マネージ）ソリトン技
・超高速光信号伝送が可能
術の確立
ï １チャネルあたりの伝送速度の・光の領域で自動等化
100Gbit/s以上への高速化（160Gbit/s にむけて）
ï 高速光信号処理への積極的な
応用

EDFA

パルス幅 2.3 ps

Period ~2-3 km
GVD

光フーリエ変換後受光パワー (dBm)

Compensation ofhigher-order dispersionof transmission line

10 Gbit/s
femtosecond signal
pulse generator

3rd- and 4th-orderdispersion compensator(Pre-chirping unit)

Ultrafast
demultiplexing
10 Gbit/s →1.28 Tbit/s
MUX

1.28 Tbit/s ñ 70 km OTDM伝送実験系

ï 伝送路の高次分散・偏波分散の補償・制御

70 km
transmissionLine

1.28 Tbit/s→ 10 Gbit/s
DEMUX

(b)

(a)

フェムト秒パルスの伝送波形~40-50 km

中沢研究室

伝送前

フェムト秒光パルスを用いた光時分割多重超高速伝送
フェムト秒光パルスを用いた光時分割多重超高速伝送ï 分散値の適応等化

高密度分散マネージソリトン

EDFA

光フーリエ変換後

Generation offemtosecond pulsesz

分散マネージの周期を短くすることで、超短ソリトンパルスを安定に伝搬させることが可能(a) 伝送ファイバ入射直前の1.28 Tb/s 信号光波形(b) 70 km 伝送後の1.28 Tb/s
信号光波形(c) 偏波分離後の 640 Gb/s
信号光波形（⊥）(d) 偏波分離後の 640 Gb/s
信号光波形（ // ）Time

1.6 ps/div

(c)

Time

1.6 ps/div

Time

1.6 ps/div

(d)

Time

1.6 ps/div

誤り率測定器

光フーリエ変換前

受光パワー (dBm)

1-4
最近のソリトン伝送技術
信号伝送上の利点

光ソリトンの特徴

・光ファイバ中の非線形効果によるパルス圧縮と分散によるパルス広がりとが無歪みの信号伝搬（無損失の場合）バランスして、波形を変えずに伝搬する。
光ファイバ中の非線形効果によるパルス圧縮と分散による・超高速光信号処理が可能であり、光の領域での自動等化ができる。
パルス広がりとがバランスして、波形を変えずに伝搬する。

光フーリエ変換前

伝送前

全ての線形歪みの一括補償

超高速光ソリトン伝送
超高速光ソリトン伝送

Without OFT::TOD= 1.56 ps/nm2: 1.63 ps/nm2: 1.70 ps/nm2
With OFT::TOD =1.56 ps/nm2: 1.63 ps/nm2: 1.70 ps/nm2

Intensity

1-3

PM: 位相変調器
GVD: 分散性媒質
CLK: クロック抽出回路+: Back-to-backWithout OFT:: GVD = 0.85 ps/nm: 1.39 ps/nm: 1.70 ps/nm
With OFT:: GVD =1.70 ps/nm

Intensity

CLKf

GVD

SMF
(GVD)

光フーリエ変換回路(
光フーリエ変換回路(OFT)
３次分散等化

符号誤り率

PMf

LN

+: Back-to-backIntensity

伝送信号のスペクトル形状は保存される必要あり

符号誤り率

光フーリエ変換
時間軸上のパルス波形への変換

40 GHz 位相変調器

1:4
MUX

２次分散等化t∆νt

160 Æ 10 Gb/s
Gb/s
多重分離

遅延 τ
群 速 度 分 散 ・ 素子
分散スロープ
クロック可変ファイバ
抽出回路

EDFA10 Æ10 GHz
モード同期レーザ 160 Gb/s
Gb/s
多重化

時間波形の歪みを個別に補償スペクトルに対する厳しい規定はなくてもよい

光フーリエ伝送方式∆τ

テスト用光ファイバ伝送路 偏波制御器
120 km

データ変調

ジッタ除去
高次分散補償
PMD補償
分散適応等化

伝送信号のスペクトル形状は変化してもよい

f160 Gbit/s伝送における適応分散等化の実証
伝送における適応分散等化の実証
伝送における適応分散等化の実証

Intensity

1-1

http://www.nakazawa.riec.tohoku.ac.jp

2. 先端光ファイバ技術に関する研究
2-1

2-2

フォトニック結晶ファイバ(PCF)の研究と新たなる光通信の開拓の研究と新たなる光通信の開拓
フォトニック結晶ファイバ
フォトニック結晶ファイバの研究と新たなる光通信の開拓

フォトニック結晶ファイバの特徴
フォトニック結晶ファイバの特徴

Large d/ΛGVD・広帯域シングルモード動作

GVD・スポットサイズの制御+

Strongly guiding Air-silica(structural dispersion)

Medium d/Λ

0.8 µm (6 dB/km)
Short distance
GaAlAs / Si

PCF

0・高非線形光学特性の実現1.3 µm (0.4 dB/km)
Medium distance
FTTH
1.55 µm (0.2 dB/km)
InGaAsP / InGaAs pin Long distance
InGaAsP / InGaAs pin

Bulk Silica (material dispersion)

−

−

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

・分散特性の制御（広帯域分散フラット特性、可視光波長での零分散の実現）

Small d/Λ

00.6

0.8

1

Wavelength (µµm)

1.2

1.4

1.6

Wavelength (µµm)(a) PCFの群速度分散(b) PCFに関連する光通信の形態

2-3d2-4

フォトニック結晶ファイバを用いた新波長帯伝送実験
フォトニック結晶ファイバを用いた新波長帯伝送実験
フォトニック結晶ファイバ

800 nm帯
VCSEL光源850λ(nm)

コア（ガラス） コア付近を拡大した写真

PCFの群速度分散特性（ベクトル場のBPMによる計算）

0840

Λ

Mode field diameter= 1.57 µm

Dispersion = -0.045 ps/nm/km
Dispersion slope= -0.0021 ps/nm2/km

-0.5

0.3

800 nm帯
受信器(Si-APD)

長さ 3 kmy (µµm)x (µµm)860

Λ =1.0 µm, d/Λ =0.543(a) 800 nm 帯で広帯域零分散・分散フラットなPCFの分散特性

LN変調器(10 Gb/s NRZ)

誤り率測定器4-5(b) 設計されたPCFのモード分布

Log (BER)

Dispersion (ps/nm/km)

0.2

λ (µm)

広帯域零分散・分散フラットPCFの設計の設計
広帯域零分散・分散フラット
広帯域零分散・分散フラットの設計
0.50.1Λ=2.3 µm

・従来ファイバでは1.3 µmより短波長での零分散は実現不可能
・PCFの大きな構造分散により、零分散を近赤外までシフトさせることが可能

PCF断面のSEM写真

空孔d/Λ=0.45

D (ps/nm/km)+1Intensity

D=−0.045 ps/nm/km
Dλ=−0.0021 ps/nm2/km
Dλλ=−0.0033 ps/nm3/km

Input
OutputGaussian pulse
Designed PCF with a length of 5 km
with a 5 ps pulse width (λ=850 nm, Λ=1.0 µm, d/Λ=0.543)
0 -20-10 010Time (ps)(c) 設計されたPCFを用いた短パルスの伝搬（計算結果）

20 ps/div

20 ps/div(a) Back-to-back(b) 3 km伝送後

20-7-8-9-10- 11- 12-22

5.0 ps0.50 km
3 km-6

3.3 dB-20-18-16-14-12-10

Received power (dBm)

符号誤り率

10 Gb/s伝送信号のアイパターン

3. 光周波数制御技術に関する研究
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

WDM
COUPLER

Oscillator
for Phase
Modulator

PM - EDF
PM - DSF

PZT

OpticalFilter

COUPLER

Inensity
Modulator

1.220

10

2.2 nm(273 GHz)

Intensity [a.u.]

COUPLEROUTPUTDBM

0.8

1.4 ps0.4
0.20-4 -3 -2 -1 0

HIGH VOLTAGE
CONTROLLER

1Time [ps]FEEDBACKCIRCUITS

3-3

2.5 ps

0.623-20-4041555

1560

縦モード抽出

変調

1565

Wavelength [nm]・コヒーレント長（可干渉距離）＞1000 km

C2H2

周波数

中沢研究室

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

・・・・・・
C2H2・レーザ共振器部
・アセチレン分子セル
・光位相変調器

1000

・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 Hz

電気回路部
光源部

・光の位相情報を用いたコヒーレント通信システム

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

3-4 周波数安定化偏波保持単一モードファイバレーザ（知的クラスター）
周波数安定化偏波保持単一モードファイバレーザ（知的クラスター）

分光計測分野特にアセチレンC2H2分子吸収線へのロック

Cs光原子時計の構成
光原子時計の構成(b) 発振スペクトル

・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

ファイバリングレーザ

1 secOutput

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

分子吸収セル
高安定FP共振器

安定化用フィー
ドバック回路

アラン分散で評価した周波数安定度
Optical Output
at 9.1926 GHz

光通信分野

狭帯域光フィルタ

狭帯域光フィルタPMDSF
Isolator

様々な産業への応用

FBGフィルタ

ファイバレーザ

PZT

Dividing
CircuitMicrowave Output
at 9.1926 GHz

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(τ =100 s)

9.1926 GHz

-60
-80

(a) 自己相関波形(τ=1 s)-13

PMEDFClock
Extraction
Circuit

Phase
Shifter-12

3.1×10
2.5×10周波数

レーザ出力信号
光の遠隔供給・・・

マイクロ波〜
ミリ波信号
・・・

5000-500-1000

0102030405060Time [min]アセチレン分子吸収線からの発振周波数の変動量

10-9

1.2

1.7××10-10(ττ=1 s)
2.2××10-11(ττ=100 s)1010-10-11110100Integration time [s]アラン分散を用いたレーザ
発振周波数の安定度評価

Amplitude [a.u.]

SYNTHESIZER

CLOCK
EXTRACTION
CIRCUIT

Intensity [dB]

ISOLATORAMPFrequency shift [kHz]INTENSITY
MODULATOR

1.48 µm OpticalSource

Microwave
PhaserModulator

FILTER

Negative
Feedback
CircuitPhaseDiscriminatorCs Atomic
Beam Tube

1.48 µ m LD

PHASE
CONTROLLER

Cs 光原子時計プロジェクト）
光原子時計 （（e-traceプロジェクト）
プロジェクト）Square root of Allan variance3-1

発振線幅=7 kHz

10.8

14 kHz0.6
0.4
0.2
0-60 -40 -20

02040

Frequency [kHz]60

自己遅延へテロダイン
検波信号のスペクトル

http://www.nakazawa.riec.tohoku.ac.jp