研究スタッフ 研究目的 主な研究テーマ

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　研究員：　葛西　恵介
研究目的
行政機関
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。
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
1-2
光通信インフラの飛躍的な高度化の重要性
光通信技術の動向
1 Tbit/s@2009年
100
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
年率40%の増加
80
60
40
超高速光ネットワーク
100 Gb/sイーサネット
1P
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Year
WDM
第１のイノベーション
EDFA, WDM
1T
100M
1980
1.6G
10Gx80
EDFA
10G
ムーアの法則
400M
1990
TDM: 時間多重
WDM: 波長多重
2010
2020
高利用効率・大容量FTTH
多値変調
・・・
ジッタ除去
入力スペクトルに対する厳
しい規定はない
・・・
1-4　超高速時間領域光フーリエ変換を用いた
2.56 Tbit/s/ch - 300 km 偏波多重DQPSK伝送
従来の伝送方式
1540 nm,
1.6 ps
40 GHz
MLFL
高次分散補償
分散適応等化
光ファイバ
HNL-DFF
2 km
EDFA
CLK
PC PBS EDFA
I
Q
Q
40 Gbit/s
27-1 PRBS
Optical
Delay


時間

伝送信号のスペクトル形状は
保存される必要あり
光ファイバ
フーリエ限界(TL)パルスを使用
=0.44 (Gauss型)
周波数 =0.32 (Sech型)
PM
EDFA
CLK
全ての線形歪みを一括して除去
中沢・廣岡・吉田研究室
HNLF
100m
x7
P. Guan et al., ECOC 2010, We.6.C.3
5 nm
SMF
PC
DI
ATT EDFA
Demod. PD Error
Detector
Prec
PC
超短光パルスに光フーリエ変換法を適用
するために、往復型構成のOFTを新たに
導入
 2次PMD (Depolarization)に起因する偏
波チャネル間のクロストークにより伝送性
能が劣化

時間
PC
EDFA SMF IDF
Pulse width
50 km 25 km
~600 fs
ATT
OFTC

GVD
周波数

15 nm5 nm
PC
1561 nm, 720 fs PC
40 GHz
CLK
MLFL
EDFA
40 GHz
光フーリエ変換
時間軸上のパルス
波形への変換
1.28  2.56 Tbit/s
MUX
PPG
40 GHz
時間
時間波形歪みを個別に補償
80 Gbit/s 
1.28 Tbit/s
I
PC
SMF
時間
偏波分散補償
IQ Modulator
5 nm
PC
光フーリエ伝送方式
PSK : Phase Shift Keying
QAM : Quadrature Amplitude
Modulation
DSP : Digital Signal Processing
周波数
1-3　時間領域光フーリエ変換を用いた無歪み高速伝送
伝送信号のスペクトル形状は
変化してもよい
M-PSK, QAM
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
高い周波数利用効率の伝送
DWDM/OFDM
1G
•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。
周波数
・・・
・・・
時間
•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。
時間
: On-Off Keying
: Differential Phase Shift
Keying
DQPSK : Differential Quaternary
Phase Shift Keying
100G
TDM
2000
OOK
DPSK
1T
40G
2.4G
光通信技術
の動向
光パワーの限界
光増幅器の帯域限界
100T
1G
1E
20
0
OOK, DPSK, DQPSK
超短（ピコ～フェムト秒）光パルス
伝送
超高速光伝送
ETDM/OTDM
120
1E
Internet 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
LN
Phase
Mod.
Optical
Delay
100%
Reflection
Bit Error Rate
1-1
10
-3
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
-8
10
-9
10
-10
w/o OFT
w/ OFT
2.56 Tbit/s
Pol.-MUX
Back-toback
1.28 Tbit/s
Single-Pol.
-31 -29 -27 -25 -23 -21 -19 -17 -15
Received Optical Power [dBm]
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
1000
0001
0101
1101
1001
0011
0111
1111
1011
0010
0110
1110
1010
75 km SLA
75 km SLA
0
1
Synthesiser
fsyn=2.03 GHz
LO
-2
2-4
t
BER
QAM
データ変調
パルス化
I data
周波数fc
  0 .065 A
2
80 
10 Gsymbol/s
)
-35
-30
-25
-20
-15
符号誤り率特性
4.1 GHz
-2
-1
0
1
2
3

Q
t
I
パイロットトーン信号
周波数fc+f
光ファイバ伝送路
Back-to-back
RZ-CW変換
Q
I
QAM
90度光
ハイブリッド Q 復調回路
局発
レーザ
I
周波数fL
DBM
PD
シンセサイザ
fIF+f
光PLL回路
周波数fc+f
狭帯域
光フィルタ
周波数利用効率 (単一チャネル)
54 Gbit/s
-60
-3
TDM多重化
負帰還
回路
クロック
抽出
10 GHz
Received Power [dBm]
=
-50
10 
80 Gsymbol/s
fIF = fc－fL
TDM
多重分離
Back-to-back
-5
10
-40
(Tuneable Fibre Laser)
Q data
光周波数
シフタ
2
-30
t
t
コヒーレント
CW光源
-3
(
-20
RF frequency [GHz]
10 Gsymbol/s
10
-4
-10
800 Gbit/s-225 km OTDM-32 RZ/QAM コヒーレント伝送
FEC threshold
10
0
Local
Oscillator
Optical Filter (～2.5 nm)
10 GHz
10
Digital
B-PD
A/D
Signal
B-PD
A/D
Processor
90?Optical
Optical
Hybrid
Pilot tone signal
Filter
DBM
Demodulation
Feedback
PD
bandwidth
20
Circuit
(fc)
=4.05 GHz
10
(BW: 400 MHz)
S. Okamoto et al., ECOC2010, PD2.3
Pol-MUX bb(⊥)
Pol-MUX bb(//)
Pol-MUX 150 km (-4 dBm) (⊥)
Pol-MUX 150 km (-4 dBm) (//)
Estimated BER curve (bb)
-1
PBC
Baseband Signal
Polariser
(fc- 2.03 GHz)
OFS: Optical Frequency Shifter
PBC: Polarisation Beam Combiner
FBG: Fibre Bragg Grating
SLA: Super Large Area Fibre
B-PD: Balanced Photo-Detector
DBM: Double Balanced Mixer
OOKの場合
(fc- 2.03 GHz)
FBG (6 GHz)
Prec
Pump power
= 500 mW
同位相 (I)
512 QAM (54 Gbit/s)-150 km伝送実験結果
10
+10 dBm
Att
Raman Pump
(1.44 m)
同位相(I)
16 QAMのコンステレーションマップ
(4 x 4 = 24 行列配置)
2-3
OFS
(fOFS=2.03 GHz)
-4 dBm
Optical Filter
⊥ (～3 nm)
Att
Att
EDFA
PC
PBS
r
θ
QAM Signal
2.03 GHz Optical Frequency
C2H2 FrequencyStabilised Fibre
Laser
直交位相 (Q)
1100
Pilot
IQ Mod.
(fc)
 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、
OOKに比べて周波数利用効率がN倍向上
0100
12 GSample/s
Power [dB]
 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
直交位相(Q)
Amplifier
Arbitrary
Waveform
Generator
QAM(Quadrature Amplitude Modulation: 直交振幅変調)の特徴:
0000
512 QAM (54 Gbit/s)コヒーレント光伝送
Intensity
2-2
QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 伝送とは?
OTDM
2-1
225 km
10 Gsymbol/s
x 8 OTDM x 5 (32 QAM)
x 2 (Pol-Mux)
= 800 Gbit/s
・コヒーレントQAM伝送にOTDMを導入することにより、10 Gの
シンボルレートで800 Gbit/s/ch-225kmの超高速・多値伝送を実現
・RZ-CW変換法により高S/Nの復調を実現
≒ 13.2 bit/s/Hz
150 km伝送後
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
3-1
超高安定 40 GHz PLL, 再生モード同期ファイバレーザ
（e-traceプロジェクト、基盤研究S）
3-2
Cs 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
1.48 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)
ISOLATOR
Intensity [a.u.]
OUTPUT
DBM
HIGH VOLTAGE
CONTROLLER
FEEDBACK
CIRCUITS
3-3
0.8
2.5 ps
1.4 ps
0.6
0.4
0.2
0
-4 -3 -2 -1 0
1
Time [ps]
2
(a) 自己相関波形
3
4
-20
-40
Csガスセル
-60
-80
1555
1560
1565
Wavelength [nm]
(b) 発振スペクトル
カーボンナノチューブを用いたフェムト秒ファイバレーザ
Pump LD
980 nm
Isolator
2m
EDF
Cavity Length : 4.7 m Coupler
50 %
50 %
Output
Polarization
Controller
SWNT塗布ポリアミドフィルム
SWNT/PMMA
-12
アラン分散から
見積った周波数
安定度
-13
10
-14
10
0
10
1
2
10
10
Averaging time [s]
アセチレン(C22H22)周波数安定化ファイバレーザ（知的クラスター）
10
SWNT/ﾎﾟﾘｶｰﾎﾞﾈｰﾄ
SWNT可飽和吸収体
t
SHG Intensity [a.u.]
980/1550
WDM Coupler
-11
10
-9
1.3×10-11 (1 s)
0
1.0
τSHG = 174 fs
τFWHM = 113 fs
0.5
1.5 GHz
-5
2.0×10-11 (100 s)
-10
-10
-15
-20
-25
1.48 m LD
-30
EDF
-35
-40
1538.7
1538.72
1538.74
1538.76
PZT
1538.78
High voltage
controller
10
-11
10
Feedback
circuit
-12
10
波長 [nm]
1
WDM coupler
0
-1.0 -0.5 0 0.5 1.0
Time Delay [ps]
SWNTの特徴
・赤外領域における高速な可飽和吸収(<1 ps)
・ナノチューブ径に応じた吸収波長
1.2 nm径1.5 m
0.8 nm径1.1 m
・ポリマーへの分散や基板・フィルムへの塗布に
より小型・簡便な可飽和吸収素子を作製可能
中沢・廣岡・吉田研究室
tube
10
Cs 光原子時計の外観
3-4
With commercial Cs beam
商用ビーム管を用いた場合
With Cs gas cell
Cs二重共鳴光セルを用いた場合
AIST primary standard
AIST一次標準器
-10
アラン偏差
SYNTHESIZER
CLOCK
EXTRACTION
CIRCUIT
-9
10
10
MLP
10
100
積分時間 [s]
Cavity length ~ 4 m
(FSR= 49.0 MHz)
FBG
周波数安定度
Lock-in
amplifier
Circulator
1.2
90/10 coupler
1
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.]
PHASE
CONTROLLER
0
反射率 [dB]
AMP
Intensity [dB]
1
COUPLER
Allan standard deviation
FILTER
INTENSITY
MODULATOR
0.8
4 kHz
0.6
0.4
0.2
0
-20 -15 -10
-5
0
5
10
15
20
周波数 [kHz]
レーザ線幅
www.nakazawa.riec.tohoku.ac.jp