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可変容量光 OFDM 信号用波長選択スイッチに関する研究
代表研究者

瀧口 浩一

立命館大学 理工学部 電気電子工学科 教授

1 研究の目的
図 1 に示すように、現在の波長分割多重による固定グリッド・ボーレートの光ネットワークと異なり、次世代の適応型光ネットワークでは、チャネル間ガードバンドを削減し、トラヒック、伝送距離の変動に応じてチャネル数、各チャネルのボーレート・変調フォーマットを自在に変化させることによって必要最小限の帯域を使用し、ネットワーク資源を節約する[1]。図 2 に示す光直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency
Division Multiplexing: OFDM、簡単のためチャネル数 4 の場合を例示）は、互いに直交する複数のサブキャリアチャネルをチャネルボーレート間隔で高密度に周波数分割多重する（周波数利用効率: 1 baud/Hz）[2]-[7]。
そのため、適応型光ネットワークでのガードバンド削減に適する[8]-[10]。
適応型光ネットワークで使用される可能性のある可変容量光 OFDM 信号の処理に関して、受信側での単純なチャネル分離から、ノードで使用される、複数経路に任意チャネルの組合せを出力する波長選択スイッチ（Wavelength Selective Switch: WSS）を全光型で実現する段階に進展させ、適応型光ネットワークの進展に資することは重要である。本研究では、拡張性に優れ小型・安定・低消費電力の集積光回路を用いることによって、可変容量範囲 20～100 Gbaud 程度の光 OFDM 信号を処理可能な全光型 1 x 2（1 入力 2 出力）WSS の実現を目指した。

◎従来ネットワーク
ガード
バンド

固定グリッド・シンボルレート
周波数f◎適応型ネットワーク
f例）長距離大容量伝送用
・各チャネルのシンボルレート：小（長距離のため分散の影響抑制）・チャネル数：大（大容量化）
・2値信号（長距離のため高S/N要）f例）短距離大容量伝送用
・各チャネルのシンボルレート：大（短距離のため分散の影響小）
・多値信号（短距離のため低S/Nでも良く、ハードウェア節約のため小チャネル化）

図 1 光ネットワークの進展

・光OFDM

チャネル数4の場合
直交
サブキャリア
チャネル

ボー
レートB

周波数間隔f= ボーレートB

図 2 光 OFDM

1

周波数f20212014
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2 研究内容2-1 研究方法
研究期間内に、可変容量光 OFDM 信号用波長選択スイッチ（WSS） 用光回路に関して、(1)最適構成設計・作製、(2)特性・波長スイッチング実験評価系の構築、(3)特性評価・波長スイッチング実験を行った。また、成果の外部発表を行った。(3)の内、波長スイッチング実験については現在も継続中である。
上記の研究項目(1)に関しては、当初予定していた窒化シリコン光導波路あるいはシリコン光導波路ではな
く、石英光導波路による設計・作製を行った。これは、窒化シリコン光導波路あるいはシリコン光導波路を用いる場合には、周波数特性間のクロストークが大きくなり、予定していた特性が得られない可能性があったためである。加えてシリコン光導波路を用いる場合には、損失特性も増加する可能性があったためである。
従って、サイズ、消費電力特性の増加が生じるが、最重要性能の光学特性（クロストーク、損失）を優先して石英光導波路（比屈折率差 Δ：1.5 %）を使用することとした。光回路は、2 つのスラブ型スターカプラ、ゲート光スイッチアレイ、遅延線アレイから構成される（チャネル数可変範囲 2～10、チャネル毎のボーレート可変範囲 10～50 Gbaud、総可変容量範囲 20～100 Gbaud の 1 x 2 波長スイッチング性能）。
研究項目(2)については、分解能 1 GHz 程度で WSS 用光回路の周波数特性を測定でき、チャネルあたり20 Gbaud までの QPSK（Quadrature Phase Shift Keying：4 位相偏移変調）信号の評価が可能な測定評価系を構築した。
研究項目(3)に関しては、WSS 光回路の特性評価、および光回路を用いた波長スイッチング実験を主に実施した。光回路の機能を検証するため、光回路の 1 入力・多出力、多入力・1 出力の特性を評価した。OFDM
信号のシリアル/パラレル変換用遅延線アレイにおいて、隣接遅延線長差より時間的コヒーレンス長の短い低コヒーレンス光源（光ファイバ増幅器の自然放出光）を用いることによって、特性可変用ゲート光スイッチの特性把握を行った後、その情報と高コヒーレンス光源（半導体レーザ）を用いることによって遅延線部の位相シフト量を最適値に調節した。光スイッチがオンの遅延線のみ光が通過し、この使用遅延線数がチャネル数に相当する。使用遅延線の長さの差が光回路の FSR（Free Spectral Range）を決める。全 10 個の遅延線を用いる場合、10 ch x 10 Gbaud 用の光回路を実現できる。使用遅延線の数を 2 から 10 に変化させることによって、可変光 OFDM 信号（2~10 ch、10~50 Gbaud）の処理に必要な特性が得られた。
2-2 研究成果
OFDM 信号のチャネル分離には、フーリエ変換が必要である[8]。これまで、光フーリエ変換回路構成の 1
入力多出力型の光フィルタを用いて、光領域直接で光 OFDM 信号のチャネル分離を行ってきた[7], [9], [10]。
今回、可変光 OFDM 信号の WSS 用として、多入力・多出力ポートの集積型光フィルタを設計、作製した。
その構成を図 3 に示す。 1.5%の石英導波路を用いて作製し、サイズは 20 x 40 mm2 である。2 個の 20 x 20 ス
ラブスターカプラ、10 個のマッハツェンダ干渉計型光スイッチ、10 本の導波路遅延線アレイ（隣接遅延線長差L：2.07 mm）から構成される。入力ポート後のスターカプラはスプリッタ、出力ポート前のスターカ
プラは光 OFDM 信号分離用の光 DFT（Discrete Fourier Transform）回路として動作する[7]。スターカプラの半径、隣接導波路間のピッチは、それぞれ 1.5 mm、12.6 m に設定した。遅延線アレイ部では、後段の光DFT 処理のために入力光 OFDM 信号のシリアル/パラレル変換が行われる。遅延線上には位相誤差補正用の熱光学位相シフタが設置されている。使用遅延線の本数、長さの差が、それぞれフィルタの処理可能チャネ
ル数、FSR を決めるため、スイッチで使用遅延線を選択することによってフィルタの特性を変化させることができる。全遅延線を使用した場合、10 ch x 10 Gbaud の光 OFDM 信号を処理することができる。
図 4, 5 に光 OFDM フィルタの透過特性の測定結果を示す。隣接遅延長差よりコヒーレンス長の短い低コヒーレンス光源（光ファイバ増幅器の自然放出光）を用いてスイッチの特性調整を行った後、その情報と高コヒーレンス光源（半導体レーザ）を用いて遅延線の位相シフト量を最適値に調節した [11]。機能を検証するために、1 入力（入力ポート No. 10）・多出力［図 4］、多入力・1 出力（出力ポート No. 11）［図 5］の特性を評価した。(1)、(2)、(3)、(4)、(5)はそれぞれ、オンのスイッチが全て（10 ch x 10 Gbaud 光 OFDM 信号処理用）、S4~8（5 ch x 20 Gbaud 処理用）、S5, 6（2 ch x 50 Gbaud 処理用）、奇数番号のスイッチ（5 ch x 10Gbaud 処理用）、S3, 8（2 ch x 10 Gbaud 処理用）の場合の特性を示す。全特性において、各チャネルの中心波長で他チャネルの特性が消光し、所望チャネルボーレートに等しい周波数間隔の特性が得られ、可変光OFDM 信号（2~10 ch、10~50 Gbaud）の処理に必要な特性が得られていることがわかる。特性可変に伴うフ2202120142013-1500 2016-1500 2019-2300

ァイバ・ファイバ間の損失が 8.2~19.5 dB と大きく変動したのは、スプリッタで等分配した光をゲート光スイッチで選択することによって可変特性を実現しているためである。スプリッタとスイッチ部分をマトリクス光スイッチ[12]に置き変えることによって、損失変動を低減できる。現在、当初の目標（実際の光 OFDM信号を用いた、総可変容量範囲 20~100 Gbaud の 1 x 2 波長スイッチング）を達成できるように研究を継続している。

図 3 多入力・多出力ポートの集積型光 OFDM 用フィルタの構成

3

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(1)

(2)

(3)

(4)
(5)
図 4 光 OFDM フィルタの透過特性（1 入力・多出力）

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(1)

(2)

(3)

(4)
(5)
図 5 光 OFDM フィルタの透過特性（多入力・1 出力）

2-3 今後の展開
本研究内容の終了後は、さらに高機能・大規模な 1 x N・N x N 可変容量 WSS、応答速度s 以下の高速スイッチングが可能な可変容量 WSS 実現に向けた検討に移行する。
本研究によって、ネットワーク資源を有効利用可能な適応型光ネットワークの進展に光回路面から貢献できる。長期的には、ストレスなく情報を扱えるユビキタス社会、持続可能な脱炭素社会の実現に資するため、学術・社会的意義は大きい。

3 まとめ
本研究では、可変容量範囲 20～100 Gbaud 程度の光 OFDM 信号を処理可能な、集積光回路型 1 x 2WSS の実現を目指した。WSS 用の多入力・多出力ポートの集積型光フィルタを実現し、可変光 OFDM 信号（2~10 ch、10~50 Gbaud）の処理に必要な特性が得られた。

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2013-1500 2016-1500 2019-2300【参考文献】[1] O. Gerstel, M. Jinno, A. Lord, and S. J. B. Yoo, “Elastic optical networking: a new dawn for the opticallayer?,” IEEE Commun. Mag., vol. 50, no. 2, pp. S12-S20, Feb. 2012.
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[3] W. Shieh, “OFDM for adaptive ultra high-speed optical networks,” OFC 2010, paper OWO1, San Diego,USA, Mar. 2010.
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[5] S. L. Jansen, “Multi-carrier approaches for next-generation transmission: why, where and how?,” OFC 2012,
paper OTh1B.1, Los Angeles, USA, Mar. 2012.
[6] X. Liu and S. Chandrasekhar, “Superchannel for next-generation optical networks,” OFC 2014, paper W1H.5,San Francisco, USA, Mar. 2014.
[7] K. Takiguchi, T. Kitoh, M. Oguma, A. Mori, and H. Takahashi, “Integrated-optic demultiplexers for optical
OFDM signals,” OFC 2011, paper OWM4, Los Angeles, USA, Mar. 2011.
[8] K. Takiguchi, T. Nakagawa, and T. Miwa, “Demultiplexing method of variable capacity optical OFDM
signal using time lens-based optical Fourier transform,” IEICE Trans. Electron., vol. E101-C, no. 2, pp.
112-117, Feb. 2018.
[9] K. Takiguchi and Y. Ikeyama, “Tunable optical OFDM demultiplexer utilizing slab star coupler-based optical
DFT circuit,” Photonics Technol. Lett., vol. 31, no. 16, pp. 1327-1330, Aug. 2019.
[10] K. Takiguchi and H. Masaki, “Gate-free integrated-optic tunable filter for demultiplexing various capacity
optical OFDM signals,” OSA Continuum, vol. 4, no. 8, pp. 2319-2329, Aug. 2021.
[11] K. Takiguchi, S. Suzuki, and T. Shibata, “Method for adjusting lattice-form optical devices and its use inrealizing low-loss variable chromatic dispersion compensator,” Electron. Lett., vol. 39, no. 4, pp. 355-356,
Feb. 2003.
[12] T. Goh, M. Yasu, K. Hattori, A. Himeno, M. Okuno, and Y. Ohmori, “Low loss and high extinction ratio
strictly nonblocking 16 x 16 thermooptic matrix switch on 6-in wafer using silica-based planar lightwave
circuit technology,” J. Lightwave Technol., vol. 19, no. 3, pp. 371-379, Mar. 2001.

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202120142013-1500 2016-1500 2019-2300〈発題

名Integrated-optic chromatic dispersion slope
compensator with wide operational bandwidth
Fully passive integrated-optic chromaticdispersion compensator and its use to PAM4
signal compensation
Integrated-optic
chromatic
dispersion
compensator composed of arrayed-waveguidegratings and delay lines
Integrated-optic signal cipher circuit using
two-dimensional code
光 OFDM 信号アド/ドロップマルチプレク
サ用多入出力集積型光フィルタ
光ゲートを除去した集積型光フーリエ変換回路を用いた光 OFDM 信号分離実験（Ⅱ）
時間・波長領域 2 次元符号化用の集積型光信号暗号化回路

表資料〉

掲載誌・学会名等

発表年月

Optics + Photonics 2023

2023 年 8 月

OpticalFiber
Communication
Conference (OFC) 2023

2023 年 3 月

Photonics West 2023

2023 年 1 月

OptoElectronics
andCommunications
Conference/International
Conference on Photonics inSwitchingandComputing(OECC/PSC) 2022

2022 年 7 月

電子情報通信学会総合大会

2023 年 3 月

電気関係学会関西連合大会

2022 年 11 月

電気関係学会関西連合大会

2022 年 11 月

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