長距離伝送を可能とするGE-PONシステムの光パワーバジェット

長延化対応ONU
長延化対応OLT
R&D
光パワーバジェット
長距離伝送を可能とするGE-PONシステムの
光パワーバジェット拡大技術
NTTアクセスサービスシステム研究所
まつもと
たくろう
し ま づ
さ と し
き む ら
ひ ろ し
やました
しょういちろう
やまさき
じん
松本 卓郎 /嶌津 聡志 /木村 洋史 /山下 尚一朗 /山崎 仁
NTTアクセスサービスシステム研究所ではFTTHエリアのさらなる拡大に対応す
るため，GE-PON光信号の光パワーバジェット拡大を実施してきました．2009年
のOLTの光パワーバジェット拡大に引き続き，今回ONUの光パワーバジェットを拡
大したことにより，トータルで37 dBと世界的にも類を見ないシステムとなりまし
た．私たちはこの成果を利用することで，ルーラル地域への経済的なFTTH展開が
可能になると考えています．
途中区間での光の損失の和を「光線路
算で15 dBの損失：図１③）．これと光
損失」と呼びます．PON区間（OLT∼
ファイバでの損失（２dB：図１①），お
ONU間）で正常な通信を行うには，送
よび接続個所での損失（１dB：図１
システムは，１心の光ファイバを光スプ
信器の送信出力と受信器の受光感度の
②）を加えた18 dBが光線路損失の値と
リッタを用いて分岐させ，複数のユーザ
差で定義される「光パワーバジェット」
なります．一方，光パワーバジェットは
で 共 用 す る FTTH（ Fiber To The
が光線路損失の値を上回る性能でなけ
26 dBであり，光線路損失の値を上回る
H o m e ） の光 アクセスシステムです．
ればなりません．
ため，PON区間での正常な通信が可能
GE-PONシステムの概要
PON（Passive Optical Network）
となります．
GE-PON（ Gigabit Ethernet-PON）
下り通信を例に，図１を用いて説明
システムは，１Gbit/sの速度のPONシ
します．OLTから出力された光信号は，
ステムであり， 現 在 ， N G N （ N e x t
スプリッタにより32分岐されることで光
大きいほど，長距離伝送が可能なシステ
Generation Network）サービス（フ
の強度が32分の１に減衰します（dB換
ムです．GE-PONシステムに関する標準
一般的に，この光パワーバジェットが
レッツ光ネクスト）等で利用されていま
す．GE-PONシステムは，通信事業者
の設備センタに設置するOLT（Optical
■設備構成例
A
Line Terminal： 光 加 入 者 線 端 局 装
置 ）， お客 さま宅 内 に設 置 するO N U
B
設備センタ
ONU-B
C
ONU-C
A B C
A B C
A B C
OLT
PC等
ぶ光ファイバのネットワークから構成さ
れています．
A B C
PC等
（Optical Network Unit：光加入者線
終端装置），光スプリッタ，それらを結
ONU-A
光スプリッタ
（32分岐）
A B C
接続個所
接続個所
PC等
■光パワーバジェットと光線路損失の計算例
光パワーバジェットと光線路
損失
光通信システムでは，途中区間の光
信号の減衰を考慮した光送受信器が必
要です．GE-PONシステムでは，①光
ファイバの損失，②接続個所での損失
強
弱
④OLTの送信出力
６dBm
①光ファイバ損失
２dB（合計）
︵光
①線
③光スプリッタでの
＋ 路
②損
分岐損失15 dB
＋ 失
②接続損失 ③ 18
１dB（合計） ︶ dB
光
の
強
度
⑤ONUの受光感度
−20 dBm
数値は一例です
に加え，③光スプリッタでの分岐に伴う
光信号の大きな損失が起きるため，高性
能の光送受信器が必要となります．この
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NTT技術ジャーナル 2011.7
光
パ
ワ
︵ー
④バ
│ジ
⑤ェ
︶ッ
ト
26
dB
図１ 光パワーバジェットと光線路損失
Ｒ
規 格 である「 I E E E 8 0 2 . 3 a h 」( 1 ) では，
（b））．後述する光パワーバジェットの拡
このような背景から，PON区間が長
光パワーバジェット26 dBが規定されて
大検討においては，ここで述べた光送受
距離となるようなルーラルエリアに対し
います．
信器の特徴を考慮する必要があります．
てもFTTHサービスを提供可能な長延化
GE-PONの光送受信器の特徴
NTT GE-PONの光パワー
バジェット
GE-PONの光送受信器は，高パワー
対応GE-PONシステムの開発を行いま
した．
GE-PONシステムの長延化を実現す
バジェットに加え，光スプリッタを介し
前述したように，GE-PONの標準規
るには，光パワーバジェットの拡大が必
複数のONUを接続することから以下の
格上の光パワーバジェットは26 dBです．
要です．光パワーバジェットを拡大させ
ような特徴があります．
しかし，2004年から商用導入されてい
るには次の３つの方法が考えられます．
(2)
スプリッタとOLTの区間は，複数の
るNTTのGE-PONシステム は，2002
① OLT側光送受信器の開発
ONUからの上り光信号が合流します．
年 より商 用 導 入 されていたB - P O N
② ONU側光送受信器の開発
(3)
③
OLTとONUの両方の光送受信
ONUが光信号を出し続けると，ほかの
（Broadband-PON）システム が採 用
O N U の光 信 号 と衝 突 を起 こします．
したクラスB+ の光パワーバジェット「29
GE-PONでは，ONUはOLTから指定
dB」(4) を実装しています．この光パワー
①は，接続されるONUが一様に遠方
された時間だけ正確に光信号を送信し，
バジェットは，設備センタからおおむね
に位置すると仮定すると有効な方法で
そのほかの時間は消光しています．この
７km以内のエリアに対し，PONシステ
す．また，OLTの高性能な光送受信器
制御により，ONUの光信号の衝突を避
ムを用いたFTTHの光サービス提供を可
を実装することによるコスト上昇分を複
けています（図２（a））．
能とします．
数のONUで共有することができるため経
OLTの受信器は，複数のONUからの
長延化対応GE-PONの開発
上り光信号を受信します．しかし，ONU
NTTでは，GE-PONシステムを用い，
ごとにOLTまでの距離が異なるため，光
器の開発
済性にも優れています．そこで，OLT側
の光送受信機の開発を先に着手し，長
延化対応OLTとして2010年３月にNTT
東日本・西日本に成果提供しました．
信号の減衰量がまちまちとなり，OLTで
FTTHによる光サービスを積極的に展開
受信する信号強度はばらつきます．そこ
してきました．しかし，さらなるFTTH
長延化対応OLTの開発概要を図３に
でOLTでは，受信した光信号を電気信
の展開やエリア拡大を行うためには，設
示します．PON-IF（インタフェース）
号に変換する際に，信号強度を瞬時に
備センタからの距離が長距離となるよう
パッケージに実装されるトランシーバ内
適正な値に制御（ゲインコントロール）
なエリアへも対応可能な経済的なシステ
の送信器における高出力レーザダイオー
し，正確な信号再生を行います（図２
ムが必要です．
ドの採用（信号強度の向上），および高
効率非球面レンズの採用（光ファイバへ
の結合効率の向上）によって下り送信
（a） 上り信号の衝突回避制御
①送信タイミングの指定
（数100μs∼数ms周期）
②指定された
タイミングで送信
た，受信器における増幅制御回路（受
③信号が整列
A
出力の３dBm向上を実現しました．ま
ONU
信 光 信 号 の増 幅 率 を制 御 ） の変 更 ，
B
A
TIA（TransImpedance Amplifier：
OLT
B
受光素子の出力電流を電圧に変換し増
光スプリッタ
ONU
幅する回路）の変更により，上り受光
感度の３dBm向上を実現し，光パワー
（b） OLT受信器のゲインコントロール
上りの信号強度はPON区間の
距離に反比例
A
ONU
距離：近
B
ONU
距離：遠
バジェットの３dB拡大を図りました．
さらに， 従 来 のO L T 筐 体 に通 常 版
PON-IFパッケージと長延化版PON-IF
A
OLT
パッケージを混在収容することが可能で
B
す（図４）
．したがって，すでにGE-PON
異なる強度の光信号を同じ
レベルの電気信号に変換
によるFTTHサービスが展開されている
エリアの拡大にも，長延化版P ON-IF
強
度
A
B
OLT
受信器
光信号
図２ GE-PON光送受信器の特徴
B
A
電気信号
パッケージを追加するだけで容易に対応
できます．長延化対応OLTを適用した
場合，GE-PONシステムの光パワーバ
ジェットは32 dBとなり，設備センタか
NTT技術ジャーナル 2011.7
53
＆
Ｄ
ホ
ッ
ト
コ
ー
ナ
ー
長延化対応OLT
（トランシーバ部）
SC
コネクタ
【レンズ】
高効率
非球面レンズを採用
【発光素子】
高出力レーザ
ダイオードを採用
合分波フィルタ
光ファイバ
同一OLT筐体に混在収容可能
通常版PON-IF
パッケージ
長延化PON-IF
パッケージ
LD
ドライバ
レンズ
長延化（Long）
を
表す「Ｌ」を記載
送信データ
増幅制御
回路
TIA
受信データ
OLT筐体
制御盤
図４ OLT筐体へのパッケージ
搭載イメージ 増幅制御回路・TIAの変更
図３ 長延化対応OLTの開発概要
ス１」に準拠するよう，５dBmの出力向
上としました．受信器ではアバランシェ・
フォトダイオードの採用によって下り受
長延化対応ONU
（トランシーバ部）
SC
コネクタ
【レンズ】
球面レンズから
非球面レンズへ変更
【発光素子】
高出力タイプ
（ＤＦＢレーザ）
を採用
合分波フィルタ
光ファイバ
LD
ドライバ
レンズ
ワーバジェットを５dB拡大しました．
長延化対応ONUの外観を図６に示し
ます．長延化対応ONUは通常版ONU
と同じサイズであり，また消費電力につ
いても通常版ONUとほぼ同じのまま，
５dBmの出力向上を実現しました．
送信データ
増幅制御
回路
光感度の５dB m向上を実現し，光パ
TIA
受信データ
【光受光素子】
アバランシェ・フォト
ダイオードを採用
図５ 長延化対応ONUの開発概要
また，同一PON-IF配下に長延化対
応ONUと通常版ONUを混在収容させ
ることが可能です（図７）．したがって，
同じルート上で，特定の地点だけが遠方
となるような形 態 においても容 易 に
FTTHを展開可能となります．
今 回 開 発 した長 延 化 対 応 O N U と，
ら７km以上のエリアにもFTTHサービ
長延化対応ONUを個別に展開するほう
2009年度に開発した長延化対応OLTを
スを展開することが可能となりました．
が経済的です．そこで今回，私たちは長
組み合わせることで，GE-PONシステム
延化対応ONUを開発し，2011年３月
は，最大37 dBの光パワーバジェットを
にNTT東日本・西日本に成果提供しま
得ることができます．この光パワーバ
した．
ジェットは，現在商用化されているPON
GE-PONシステムのさらなる
長延化
長延化対応OLTの適用によりFTTH
長延化対応ONUの開発概要を図 ５
システムにおいて，世界的に見ても非常
の提供エリア拡大を図ることが可能とな
に示します．ONUトランシーバ内の送
に高性能な値となっています．この組み
りましたが，設備センタからさらに遠方
信器における非球面レンズの採用（従来
合わせにより，設備センタからの距離が
の少数のエリアに対しては，依然として
は球面レンズ），および高出力タイプの
20 kmを超えるようなエリアに対しても，
光サービスを提供することはできません．
DFB（Distributed FeedBack）レー
32分岐の光スプリッタを用いたGE-PON
このようなエリアに対して光サービスを
ザダイオードの採用によって上り送信出
システムによる光サービスを提供するこ
提供するためには，GE-PONシステムの
力の向上を実現しますが，ONUがお客
とが可能となります．
さらなる光パワーバジェット拡大が必要
さま宅内に設置される機器であること，
となります．FTTHの提供エリア内にお
ONUが故障した場合，送信器のレーザの
いて，さらなる光パワーバジェットの拡
安全性を考慮し，IEC（International
従来は，設備センタからの距離がおお
大が必要な地点が少数であることを考慮
Electorotechnical Commission）で規
むね７km以内（標準エリア内）のエリ
すると，高性能な送受信器を搭載した
定されたレーザ製品の安全性規格「クラ
アに対 し， G E - P O N システムによる
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NTT技術ジャーナル 2011.7
長延化GE-PONの利用シーン
Ｒ
OLTに加えて長延化対応ONUを適用す
所外
スプリッタ
通常版
ONU
設備センタ
所内
スプリッタ P
O
N
│
OLT
I
F
長延化
ONU
今後の予定
GE-PONの光パワーバジェットを拡大
同一PON-IF配下での
混在収容が可能
図７ 長延化対応ONUの適用
イメージ 図６ 長延化対応ONU
ることで，FTTHのサービス提供が可能
となります．
するために，長延化対応OLT，長延化
対応ONU開発を行ってきました．この
一連のGE-PONの長延化対応開発によ
り，光サービス展開エリアのさらなる拡
大を経済的に実現できるようになりまし
た．今後は，本システムの円滑な事業導
入に向けた導入支援を行っていく予定
標準エリア
光線路損失：∼29 dB
提供形態：通常版OLT・通常版ONU
①提供エリアの面的拡大
光線路損失：29∼32 dB
提供形態：長延化対応OLT・通常版ONU
設備センタA
通常版
ONU
OLT筐体
通 長長
常 延延
版 化化
Ｐ ＰＰ
Ｏ ＯＯ
Ｎ ＮＮ
︲ ︲︲
Ｉ ＩＩ
Ｆ ＦＦ
A
通常版
ONU
通常版
ONU
通常版
ONU
通常版
ONU
長延化
ONU
長延化
ONU
通常版
ONU
ONU
距離：近
②さらなる提供エリア拡大
光線路損失：32∼37 dB
提供形態：長延化対応OLT・長延化対応ONU
リア
です．
■参考文献
（1） IEEE Std 802.3ah，2004.
（2） 落合・立田・藤本・田中・吉原・太田・三
鬼：“Gigabit Ethernet-PON（GE-PON）シ
ステムの開発，”NTT技術ジャーナル，Vol.17，
No.3，pp.75-80，2005．
（3） 平尾・原田・武本・小平：“ブロードバンド
光アクセス技術動向，”NTT技術ジャーナル，
Vol.15，No.1，pp.24-27，2003.
（4） ITU-T Rec.G984.2 Amd.2，2006．
供エ
提
Aの
タ
セン
設備
ア
エリ
提供
の
タB
設備センタB
セン
設備
長延化
ONU
長延化
ONU
③隣接設備センタ収容
光線路損失：32∼37 dB
提供形態：長延化対応OLT・長延化対応ONU
図８ 長延化GE-PONの利用シーン
FTTHサービスを展開してきました．一
連のGE-PONシステムの長延化対応技
術を用いることで，次のような利用が期
待されます（図８）．
（1） 提供エリアの面的拡大
が可能です．
（3） 隣接設備センタ収容
通常，ある地点にFTTHサービスを提
供する際は，最寄りの設備センタに設置
された所内設備とお客さま宅を光回線で
標準エリア外で，設備センタからの距
接続することによりサービスを提供しま
離が７kmを超えるエリアには，このエ
す．しかし，ルーラルエリア等において
リア一帯に対して長延化PON-IFを増設
は，最寄りの設備センタ内に所内設備
することで，経済的にFTTHサービスを
が配置されていない場合もあります．そ
提供することが可能です．
こで，最寄りの設備センタ内は光ファイ
（2） さらなる提供エリア拡大
バを通過させ，所内設備が存在する隣
（1）よりもさらに遠方の少数の地点に対
接設備センタとお客さま宅を光回線で接
しては，長延化PON-IFの増設に加えて
続し，光サービスの提供を行うことが可
長延化対応ONUを個別に適用すること
能です．このような場合，一般的に途中
で，FTTHサービスの提供を進めること
区間が長距離化するため，長延化対応
（後列左から）山下 尚一朗/ 嶌津 聡志/
山崎
仁
（前列左から）木村 洋史/ 松本 卓郎
今後も事業会社のニーズを踏まえながら，
高品質なGE-PONシステムの研究開発に取
り組んでいきます．
◆問い合わせ先
NTTアクセスサービスシステム研究所
第一推進プロジェクト
IPアクセス推進DP
TEL 046-859-4841
FAX 046-859-5514
E-mail ge-pon ansl.ntt.co.jp
NTT技術ジャーナル 2011.7
55
＆
Ｄ
ホ
ッ
ト
コ
ー
ナ
ー