JP5804365B2 - ダイバーシティ光伝送装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチコア光ファイバを用いて大容量かつ長距離伝送を可能とするダイバーシティ光伝送装置および方法に関する。

現在、通信トラヒックは年率20〜40％で増加を続けている。2030年にはエクサビット（10¹⁸bit/s ）クラスのスループットを可能にするフォトニックネットワークの必要性も論じられている。この通信トラヒックを支えるべく光ファイバ通信における伝送容量の開発競争が続いており、光位相を変調に組込む技術が高まって一段と加速した。2009年には30Ｔbit/s を記録し、2010年３月には69Ｔbit/s を記録している。いずれも単一コアを有する単一モード光ファイバにて達成された記録である。単一コアを有する単一モード光ファイバでは過去30年間で約４桁の大容量化を実現している。これらはディジタル・コヒーレント通信技術ならびに誤り訂正技術の進展によって飛躍的に光ファイバ伝送容量が伸びたと言える。いずれも電気的高速ディジタル信号処理（ＨＳ−ＤＳＰ）によるところが大きい。光キャリア位相と局発光位相とが互いに同期状態になく数ＧHzで回転していても、ＨＳ−ＤＳＰにより光キャリア位相を推定できる。さらに１〜２桁の容量増加を目指して１波長あたり 100Ｇbit/s 以上、光ファイバ１本当たり 100Ｔbit/s 級の伝送システムの研究開発が活発に進められている（非特許文献１）。

しかし、伝送路である光ファイバへの入力パワー制限や中継器を構成する光増幅器の帯域制限により、１本の光ファイバで伝送可能な容量も限界に達しつつある。２つの主な要因として、高パワーの信号光により光ファイバ中に誘起される非線形光学効果と、光ファイバ自体の熱破壊現象に由来するファイバフューズ限界である。ファイバフェーズの伝搬閾値限界は 1.2Ｗ〜 1.5Ｗであり、実用上は既存の光ファイバへの許容入力パワーは１Ｗ程度と考えられる。これ以上の光パワーを入力することは安全上好ましくないと考えられている（非特許文献１）。

この２つの限界を克服するために、１つの技術候補としてマルチコア光ファイバの研究開発が始まっている。マルチコア光ファイバは、１本の光ファイバにおける芯線径は変更せず、複数のコアを構成するものであり、コア間結合型と非結合型として検討が進んでいる。非結合型マルチコア光ファイバは、各コアにおける信号光の伝搬に際し、コア間の結合を可能な限り小さくしようとする構成である。この場合、コア空間多重度には限界がある。結合型マルチコア光ファイバでは、コア間結合を密にして個々の結合モード（スーパーモード）を伝送チャネルに対応させる構成としている（非特許文献２）。図２に非結合型マルチコア光ファイバの一例を示す。クラッド径 125μｍにコア径９μｍの７個のコアをコア間隔40μｍで三角配置した構成である。

非結合型マルチコア光ファイバでは、コア数がＮまで増加できたとすると、１本の光ファイバによって伝送容量をＮ倍まで増加することがねらいとなっている。非特許文献１では、既存光ファイバーでは、伝送距離1000ｋｍに対して 100Ｔbit/s 程度が限界になると述べられている。マルチコア光ファイバを用いれば、同条件にてＮ× 100Ｔbit/s となる。現実的には、コア間結合をゼロとはできないので、マルチコア光ファイバでは、Ｎ芯線ケーブルに比較すると伝送容量が劣ることになると予想できる。

一方、通信の基本性能指標である光ＳＮＲに関しては、伝送容量の飛躍ほど高まってはいないが、直交位相による変調は符号の多値化を可能にして光周波数利用効率（ＳＥ）を飛躍的に高めた。2007年に実用化されたRZ-DQPSK方式40Ｇbit/s ＤＷＤＭ伝送システムのＳＥは0.4bit/s/Hz であるが、2010年に報告されたＳＥは５bit/s/Hzを超えている。ディジタルコヒーレント受信技術は、光キャリア周波数の不安定性を高速ディジタル信号処理（ＨＳ−ＤＳＰ）技術によって補う技術と捉えることができる。

盛岡敏夫、"光通信の現状と今後の飛躍のための光ファイバー技術、"日本光学会（応用物理学会）、光学、40，6 号、pp.258-263. 小柴正則"マルチコア光ファイバーの種類とその設計指針"、日本光学会（応用物理学会）、光学、40，6 号、pp.264-268 . Mischa Schwartz, William T. Bennett, and Seymour Stein, "Communication Systems and Techniques, " IEEE Press

光ファイバ通信では、1990年代後半以降大容量化のために波長分割多重（ＷＤＭ: Wavelength Division Multiplexing）技術が採用されている。採用している実用化システムでは、標準化された光周波数グリッドに合致した光周波数（波長）を有する個別の半導体レーザを多重相当数実装して実現している。この場合、光ファイバ伝搬中に、光ファイバ非線形現象の発現に伴い伝送能力が制限される。光ファイバ伝送では、３次の非線形現象が出現し、自己位相変調、相互位相変調、ブリルアン散乱、ラマン散乱など様々な現象が観測されるが、伝送特性を大きく劣化させる主な現象の１つに４光波混合がある。４光波混合によって隣接グリッドの光周波数位置に新たな光が誘発されてしまう。この誘発された光は、当該グリッドに配置されたレーザ光源の信号にとってビート雑音として影響を及ぼし、伝送特性を劣化させる。したがって、光ファイバへの入力信号光強度Ｐ_inをある一定値以上にまで高めると、再生無中継伝送距離の低減、または伝送容量の低下を引き起こす。

一方、容量拡大には伝送基本性能指数である光ＳＮＲを高めることが最も重要な課題となる。この光ＳＮＲを確保するには、光ファイバへの入力信号光強度Ｐ_inを高める必要があるが、上記のように一定値以上に高めることができる。

このような状況の中で、エクサビットクラスのスループットを可能にするフォトニックネットワークの実現へ向けて、マルチコア光ファイバの研究開発が活発化してきている。ひとつのコアで伝送可能な光電力値の限界、すなわちエネルギー密度が限界に達しつつあるために、マルチコア化して１本の光ファイバにおける伝送容量を増やそうという試みである。実際、光強度はコアあたり 500ｍＷを超え始めており、コア径を10μｍと近似すると 600Ｗ／ｃｍ² となり、核融合時エネルギー密度を超えている。ファイバフェーズとなるシリカ系光ファイバの溶融限界である１〜２Ｗに近づいており、物理限界である。

マルチコア光ファイバによる伝送では、個々のコアに従来通りの信号を入力して伝送することにより空間多重としての伝送容量を増加させる、という方針で現在研究が進められている。また、複数のコアに同一の光源からの信号を分離して入力し、等価的に高い光強度を入力して伝送するダイバーシティ伝送を行うことも可能である。それだけ光非線形耐力が向上するとともに、同じ伝送距離の場合に受信光ＳＮＲも高まる。伝送距離を拡大できる通信技術であるとも言える。

本発明は、マルチコア光ファイバを用いたダイバーシティ伝送により、大容量かつ長距離伝送を可能とするダイバーシティ光伝送装置および方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、光送信手段と光受信手段との間で、複数Ｎ以上のコアから構成されるマルチコア光ファイバを伝送媒体として信号光をダイバーシティ伝送し、光受信手段で最大比合成を行って光ＳＮＲを改善するダイバーシティ光伝送装置において、光送信手段から送信される信号光の強度をＮ個に分割し、コア当たりの入力光強度をファイバ非線形現象の影響が小さくなる値にしてマルチコア光ファイバのＮ個のコアへ入力する光分割手段と、マルチコア光ファイバのＮ個のコアから出力される各信号光に対して、各コアの特性に応じた重み付けを行ってそれぞれの振幅と位相を揃えて最大比合成の条件を満足させる光重み付け手段と、光重み付け手段から出力される各コアに対応の信号光を合成して光受信手段に出力する光合成手段とを備える。

第１の発明のダイバーシティ光伝送装置において、光重み付け手段は、信号光を増幅する光増幅器を用いた振幅調整器と、コアの特性に応じて生じる位相遅延の調整、群速度遅延およびその分散に対する補償を行う遅延調整器とを備える。

第２の発明は、光送信手段と光受信手段との間で、複数Ｎ以上のコアから構成されるマルチコア光ファイバを伝送媒体として信号光をダイバーシティ伝送し、光受信手段で最大比合成を行って光ＳＮＲを改善するダイバーシティ光伝送方法において、光送信手段から送信される信号光の強度を光分割手段でＮ個に分割し、コア当たりの入力光強度をファイバ非線形現象の影響が小さくなる値にしてマルチコア光ファイバのＮ個のコアへ入力し、マルチコア光ファイバのＮ個のコアから出力される各信号光を光重み付け手段に入力して各コアの特性に応じた重み付けを行ってそれぞれの振幅と位相を揃えて最大比合成の条件を満足させ、光重み付け手段から出力される各コアに対応の信号光を光合成手段で合成して光受信手段に出力する。

第２の発明のダイバーシティ光伝送方法において、光重み付け手段は、信号光を増幅する光増幅器を用いた振幅調整を行い、コアの特性に応じて生じる位相遅延の調整、群速度遅延およびその分散に対する補償を行う。

本発明では、マルチコア光ファイバを伝送媒体として用い、信号光をマルチコアにて経路分割伝送、すなわちダイバーシティ伝送を行うことによって、コアあたりの入力光強度をファイバ非線形現象の影響が小さくなるまで減少させることができる。一方、受信端では最大比合成の原理に従って経路分割伝送信号光を合波して受信処理を行うことにより、光ＳＮＲが経路分割前の全光強度による伝送と等価な値を回復させることができる。

これにより、等価的に光ファイバへの送信電力を高めることができるので、それだけ光ＳＮＲが高まり、再生中継間隔を飛躍的に拡大し、多値数を増加できる。その結果として、単位光ファイバあたりの伝送容量を大きく増加させることができる。

本発明のダイバーシティ光伝送装置の構成例を示す図である。 非結合型マルチコア光ファイバの一例を示す図である。 Ｎ＝２における光受信系の構成例を示す図である。 Ｎ＝４における光受信系の構成例を示す図である。 並列数をパラメータとするチャネル容量を計算した結果を示す図である。

図１は、本発明のダイバーシティ光伝送装置の構成例を示す。
図１において、半導体レーザ（ＬＤ）のようなＣＷ光源１１からの光を光変調器１２で変調し、出力される信号光を光カプラのような光分岐器１３で複数に分割する。分割数をＮとする。Ｎ分割された信号光は、マルチコア光ファイバ１４のそれぞれのコアへ結合させる。各コアを伝搬した信号光は、それぞれ光重み付け回路１５−１，１５−２を介して振幅と位相が調整され、振幅と位相が揃った状態で光合成器１６に入力して合成され、光受信器１７で電気信号に変換される。ここで、マルチコア光ファイバ１４では、各コアを伝搬した信号光間の位相揺らぎが均一であるので、相互位相を揃えることが可能である。以下、詳しく説明する。

ｉ番目（ｉは１〜Ｎの整数）のコアへの結合光強度をＰ⁽ⁱ⁾ _in とすると、全信号光強度Ｐ_total は、

となる。マルチコア光ファイバ１４におけるコア数ＭとＮとの間にはＮ≦Ｍの関係がある。

光強度Ｐ⁽ⁱ⁾ _in を有する信号光は、情報伝送上の変調を受けており変調信号電界ｓ_i(t)は、

と表される。ａ_i(t)は光強度に対する変調情報を示し、位相θ_sigiは θ_sigi＝ω_ct＋ｂ_i(t)π＋φ_n
と表される。ω_c は光キャリア周波数、ｂ_i(t)は位相変調情報、φ_n は位相雑音である。

２値ＰＳＫ変調では、
Ｒe｛ｓ_i(t)｝＝(Ｐ⁽ⁱ⁾ _in ａ_i(t))^1/2 cosjθ_sigi
において、ａ_i(t)＝１、ｂ_i(t＝ｍＴ)＝１ or -1である。４値ＱＰＳＫでは、
ｓ_i(t)＝(Ｐ⁽ⁱ⁾ _in ａ_i(t))^1/2｛cos(ω_ct＋ｂ_ci(t)π＋φ_n)
＋jsin(ω_ct＋ｂ_si(t)π＋φ_n)｝
において、ａ_i(t)＝１、ｂ_ci(t＝ｍＴ)＝１ or -1、ｂ_si(t＝ｍＴ)＝１ or -1である。Ｍ値ＱＡＭでは、さらにａ_i(t)がＭの値に応じて多値をとる。

Ｎ分割して信号光を伝送すると、時刻ｍにおける信号光Ｙ(m) は、ｉ番目のコア（チャネル）の伝達関数をｈ_i と表し、そのＮ要素からなるチャネル行列をｈを用いて、

となる。ｚ(m) は信号光中に含まれる雑音成分を表し、アスタリスク＊は畳込み和を表す。１番目のコアについて具体的に伝搬後の信号光を行列要素として表現すると、

と畳込みによって表すことができる。

ｉ番目のコアに対応するチャネル行列要素ｈ_i は、損失係数α、伝搬定数β⁽ⁱ⁾ 、距離ｌを用いて、

と表現し、伝搬定数β⁽ⁱ⁾ を角振動周波数ω₀ の周りでテイラー展開すると

となる。ここで、

であって、それぞれ群速度ν_g の逆数、群速度分散を表している。ｎ，ｃ，λは、それぞれファイバ屈折率、光速、波長を表す。

伝搬の途中において光増幅器によって損失補償が行われ、受信端では光前置増幅器で増幅された後に、各コア対応の光重み付け回路１５−１，１５−２を介して光合成器１６で電界合成され、光受信器１７のフォトダイオードによって電気信号に変換される。電界合成後の信号光は、ｉ番目のコアを応答信号である式(3) を異なるコアを伝播してきたＮの信号について合成して一般化表現すると

となる（非特許文献３）。

よって、ダイバーシティ出力ｓ₀(m)における信号電力は、Ensemble AverageをＥ[ ]でで表記すると、

となる。ここで、ｗ＝ [ｗ₁,ｗ₂,ｗ₃,…, ｗ_N]^T 、σ² は雑音電力の分散であり、係数２はＩ成分(cos) とＱ成分(sin) との和であることを意味している。この結果、ダイバーシティ出力ｓ₀(m)におけるＳＮＲは、

となる。

このＳＮＲを最大にする条件を次に求める。信号電力は、光重み付け回路１５−１，１５−２を介して光合成器１６で電界合成するときに、ＳＮＲを最大化にするために最大比合成が行われる。チャネル関数に対する重み関数をｗ_i とするとき、最大比合成の条件は、ｉ番目のコアに対応するチャネル行列要素ｈ_i に対して従属関係、ｗ_i ＝ｄｈ_i ^*を満足するときである。ｄは任意の複素数である。この条件を式(9) に代入して整理すると、

となる。ただし、チャネル行列要素ｈ_i は、伝送途中に光増幅器を含む系として捉えることができ、｜ｈ_i ｜＝１と近似すると、

となる。

光増幅器を多段に含む系では各伝送路（チャネル）における雑音電力Ｐ_z は当然大きくなるが、式(10)は空間多重数ＮだけＳＮＲを向上できることを示している。
ここで、｜ｄ｜＝１／｜ｈ_i ｜と選ぶと、

となる。これは、チャネルｉについて、位相遅延を調整する回路と群速度遅延およびその分散に対する補償回路とを挿入することが必要であることを示している。

ここで重要な点は、異なるチャネルｉ間における相対的遅延偏差は無視できることである。多芯ファイバケーブルとマルチコア光ファイバの最も大きな差は、このコア間相互の遅延変動にあると考えられる。多芯ファイバケーブルでは、光ファイバが相互に独立であるので遅延変動も無相関にランダムな振舞いをする。これに対して、マルチコア光ファイバは、２次元光導波路とみなすことができるので遅延変動はあってもコア間相互では相対的にゼロと考えられる。したがって、個々のコアに対して分散および群速度遅延差補償を行う回路と、波長レベルでの伝搬定数β⁽ⁱ⁾ の差を調整する回路を用いる。なお、式(12)は位相共役光を生成して合成する回路でも実現できることを示している。

図２に示すマルチコア光ファイバは、比屈折率差が異なる不均一コアファイバと呼ばれており、それぞれの伝搬定数も異なると考えられる。

図３は、Ｎ＝２における光受信系の構成例を示す。
図３において、各コアを伝搬した信号光を入力する光重み付け回路１５−１，１５−２は、それぞれ振幅調整器と位相調整器により構成される。振幅調整器は、光増幅器を用いて｜ｄ｜＝１／｜ｈ_i ｜を実現できる。位相調整器は、例えばＬＮ位相変調器やＰＬＣ熱光学効果型遅延調整器を用い、式(4) に相当する遅延量制御を行う。位相調整器は、信号光の包絡線の位置を一致させるシンボル速度の逆数に相当する時間調整部と、波長(1.5μｍ) 相当量の遅延調整部の２種類から構成される。異種コアファイバにおけるコアの伝搬定数差にもよるが、伝搬定数差が小さい場合には、包絡線用遅延調整器は不要となる。

光重み付け回路１５−１、１５−２の出力は、光合成器１６で合成される。光合成器１６は、各コアからの信号光に対してモード結合を行う方向性結合器、光位相が同相であれば損失なく合成できるＹ合波器や、複数の光導波路から入力する光を中央の光導波路に合成する光導波路型光結合器などを用いることができる。図３の例では２×２方向性結合器の例を示す。図４に示すＮ＝４における光受信系では、光合成器１６は第１段の２つのＹ合波器と第２段の方向性結合器を接続した構成である。

その電界出力は、結合係数が１／２、Ｐ⁽¹⁾ _in＝Ｐ⁽²⁾ _in＝Ｐ_inの理想状態では、

となる。これが各コアを伝搬した信号光の最大比合成における位相に対する理想状態であり、このとき平均電力は２ＧＰ＝ＧＰ_total となり、全入力光強度と一致する。雑音電力は位相がランダムであるためモード結合されず、雑音電力Ｐ_z となる。強度変調光をＰＤで直接検波する場合、光増幅器ＡＳＥ雑音が支配的領域では、雑音電力Ｐ_z の電力スペクトル密度は単一コアのそれと等しく２ｎ_spｈ_iＰ⁽ⁱ⁾ _inで決まる。ｎ_spは光増幅器における反転分布パラメータである。

光受信器１７は、光合成器１６の２つの出力Ｅ₁ ，Ｅ₂ と局発光ＬＯをそれぞれ光合成器を介して結合して受光するバランスド受光器により構成される。Ｉ成分出力およびＱ成分出力は、

となる。このとき、ＳＮＲは局発光とＡＳＥ間ビート雑音が支配的となり、バランスド受光器の出力では

となる。ここで、ｈはプランク定数、ηはＰＤにおける光／電気変換効率である。式(14)は、１番目のコアへの入力光強度をＰ⁽¹⁾in として、当該コアにおける伝送後ＳＮＲに対して２コアを用いて伝送することにより因子２だけＳＮＲが大きいことを示している。このように、ダイバーシティ伝送（並列伝送）することによってＳＮＲを高めることができる。Ｎ並列伝送時帯域に対するチャネル容量Ｃ／Ｗは、

である。

図５は、並列数をパラメータとするチャネル容量を計算した結果を示す。
γ＝10, 20dBのとき、単一コア伝送では、3.5, 6.7 bit/sec/Hz 、５コア並列伝送すると、それぞれ7.9, 21.6 bit/sec/Hzである。γ＝10dBでは２倍、γ＝20dBでは３倍以上の容量拡大が期待できるのが分かる。非線形効果のためにこれまでは光ファイバ入力光強度Ｐ_inがある一定値以下に抑圧されていたが、等価的にＰ_inをＮ倍に高めることができるので、γを10log₁₀Ｎ(dB) 高めることが可能となる。したがって、より大きな拡大効果が期待できる。

１１ ＣＷ光源
１２ 光変調器
１３ 光分岐器
１４ マルチコア光ファイバ
１５−１，１５−２ 光重み付け回路
１６ 光合成器
１７ 光受信器

Claims (4)

1. 光送信手段と光受信手段との間で、複数Ｎ以上のコアから構成されるマルチコア光ファイバを伝送媒体として信号光をダイバーシティ伝送し、光受信手段で最大比合成を行って光ＳＮＲを改善するダイバーシティ光伝送装置において、
   前記光送信手段から送信される信号光の強度をＮ個に分割し、コア当たりの入力光強度をファイバ非線形現象の影響が小さくなる値にして前記マルチコア光ファイバのＮ個のコアへ入力する光分割手段と、
   前記マルチコア光ファイバのＮ個のコアから出力される各信号光に対して、各コアの特性に応じた重み付けを行ってそれぞれの振幅と位相を揃えて前記最大比合成の条件を満足させる光重み付け手段と、
   前記光重み付け手段から出力される前記各コアに対応の信号光を合成して前記光受信手段に出力する光合成手段と
   を備えたことを特徴とするダイバーシティ光伝送装置。
2. 請求項１に記載のダイバーシティ光伝送装置において、
   前記光重み付け手段は、前記信号光を増幅する光増幅器を用いた振幅調整器と、前記コアの特性に応じて生じる位相遅延の調整、群速度遅延およびその分散に対する補償を行う遅延調整器とを備えた
   ことを特徴とするダイバーシティ光伝送装置。
3. 光送信手段と光受信手段との間で、複数Ｎ以上のコアから構成されるマルチコア光ファイバを伝送媒体として信号光をダイバーシティ伝送し、光受信手段で最大比合成を行って光ＳＮＲを改善するダイバーシティ光伝送方法において、
   前記光送信手段から送信される信号光の強度を光分割手段でＮ個に分割し、コア当たりの入力光強度をファイバ非線形現象の影響が小さくなる値にして前記マルチコア光ファイバのＮ個のコアへ入力し、
   前記マルチコア光ファイバのＮ個のコアから出力される各信号光を光重み付け手段に入力して各コアの特性に応じた重み付けを行ってそれぞれの振幅と位相を揃えて前記最大比合成の条件を満足させ、
   前記光重み付け手段から出力される前記各コアに対応の信号光を光合成手段で合成して前記光受信手段に出力する
   ことを特徴とするダイバーシティ光伝送方法。
4. 請求項３に記載のダイバーシティ光伝送方法において、
   前記光重み付け手段は、前記信号光を増幅する光増幅器を用いた振幅調整を行い、前記コアの特性に応じて生じる位相遅延の調整、群速度遅延およびその分散に対する補償を行う
   ことを特徴とするダイバーシティ光伝送方法。

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