研究成果報告書

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みさえしろみず
4 years ago
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2 Gain [db] 様式 C-19 F-19 Z-19( 共通 ) 1. 研究開始当初の背景高速のイーサネットの普及やさらなるインターネットの伸びに支えられより高速な光アクセス網が要求される状況にある高速な光アクセス網の研究は現在日本韓国シンガポール中国などのアジアと米国カナダの北米さらにオーストラリアで盛んに行われている現在実用化されているアクセス網の構成はPON (ive otical network) 細かく分類すると STM-PON であるこの網の高速化として各種の検討がされているいずれにしても高速に向かうと高い光受信レベルが要求される光増幅の一種であるラマン (Raman) 増幅は半導体形の増幅素子である SOA (Semiconductor Otical Amliier) と共に EDFA よりも前から研究されてきたラマン増幅は光中継系にEDFAの後から導入されているラマン増幅の利得は大きくないが伝送用の光ファイバそのものを利得媒体として利用できるというメリットがあるしかしアクセス網での検討はほとんどされていない. 研究の目的近年の趨勢からより高速な光アクセス網が必要とされると予測できる高速化に伴う高光受信レベルのため光増幅が要求されると考えられる EDFA で代表される光ファイバアンプを使用することも 1 案であるしかし電力を必要とする能動 (active) 装置であるため受動 (ive) 部品で構成される分岐型光アクセス網の PON (ive otical network) のメリットが失われるすなわち保守や信頼性の観点から望ましくない本研究は Pive な特徴を生かせるラマン増幅を採用し片側 ( 局側 ) からポンプ光を入射するが実効的に双方向入射とする効率的な増幅法を研究し保守信頼性に優れた経済的な光アクセス網を構築することを目的とするこれにより高精細な動画などを高速に伝送でき企業活動の円滑化医療や教育の地域格差の解消在宅での医療など高齢化社会への対応に貢献できる 3. 研究の方法光アクセス網の伝送路内にポンプ光を反射し信号光を通過する光バンドパスフィルタ ( 波長フィルタ ) を挿入するユニークな構成を提案しこの構成を STM-PON( 時分割の PON) や WDM- PON( 波長多重の PON) に適用した場合の増幅度や光 SNR(OSNR) を理論的に検討する一方実験装置の制約があるが理論検討した結果をできるだけ実験的にも検証する 4. 研究成果中継系への適用を想定して古くから研究されているラマン増幅であるが多くの接続箇所を持ち複雑な網構成を持つアクセス網へ適用する研究は未解決な課題が多く中継系と異なる特徴を持つこのため以下の課題について研究した (1) 反射型双方向ポンプラマン増幅提案した反射器 R を持つ反射型双方向ポンプラマン増幅の構成を図 1 に示すスターカプラー (SC) の前に反射器 R を配置し局 (CO) からのポンプ光を反射させることでポンプ光の効率化を行うと共に各加入者にポンプ光が届かないための光フィルタの機能も持つ Pum 図 1 反射器 R を持つラマン増幅の適用理論検討のためにラマン増幅の波長依存性の測定を行った中継系と異なりアクセス系では信号波長が離れているためポンプ光と信号光の波長配備により増幅だけでなく減衰も起こりうるので広い波長範囲で測定した結果を図に示す測定結果はポンプ光波長 ( 中心波長 147nm) の位置で上下反転するほぼ奇関数の形状を示し理論上奇関数になるという事実とほぼ一致した図 CO OLT ラマン増幅の波長依存性の測定結果この結果をもとに計算機による数値シミュレーションを行った光反射器 R の有効性を表わすために改善比を次式で定義した改善比 P P 下り信号光ポンプ光 W WO R Star Couler #1 #N (1) Subcriber #i 光レシーバ Raman gain (um about 147nm SMF 10km) Wavelength [nm] ONU ここで P W は反射器を使用した場合の信号光パワーを P WO は反射器を使用しない場合の信号光パワーを表わす計算には光線路損失を 0.dB/km とし信号光波長を 1554nm ポンプ光波長を 1480nm としたポンプパワーは 300mW と 600mW とし信号パワーは 1mW とした反射係数は R=0.5 と 1 とした図 3 に伝送距離 L の関数

3 OSNR [db] Imrovement Ratio として計算結果を示す R の値が大きい時ポンプパワーが大きい時に大きな改善比が得られてい短波長側 ( アンチストークス光のホトン数 n ) については導出されていないので同じ考えのもとる事が分かる改善比 >1なので反射器によりラマン利得が増強されている事が分かるがその効果に距離依存性があることが図 3 から分かる短距離では反射器による双方向増幅が有効に働かで新たに次式のように導出した dn dt gn g 1 ex( h / k T) B (6) ない事遠距離ラマン ( L> 0km など ) ではファイバの損失でポンプ光パワーの減衰で有効に働か ( 0) (7) ない事が分かる L [km] 0.dB/km R= mW 0.dB/km R=1 300mW 0.dB/km R=1 600mW 図の測定したラマン増幅係数から雑音光の波長特性を計算し計算結果をチェックするためチューナブルLD 光を信号光として雑音光 (ASE) の測定を行った結果計算と実験は比較的良い一致であったこの結果をもとに利得 OSNRを計算した図 4にR=1( 反射率 100%) とR=0 の場合のOSNRの結果を示すまた利得と図 3 改善比の伝送距離依存性 ( 反射器の効果 ) OSNR の測定も行い図 5 の結果を得た古くから増幅のある長波長側 ( ストークス光 ) についてはよく検討されていてその結果信号光の放出率 Wemit と吸収率 Wab は以下の様になる W emit n n 1, n ( n 1,1 a a 1) () a V n, n, km 300mW (R=1 and R=0) Wavelength [nm] W ab n ( n 1, n 1) n 1,0 a (3) a a V n, n,1 図 4 OSNRの波長依存性の計算結果 (0km 300mW が R=1) ここで a, a + + はホトンの消滅生成演算子 av, a V はホノンの消滅生成演算子であるここで n はポンプ光のホトン数 n はストークス光のホトン数であるホノンのエネルギー状態は基底状態 0 及び励起状態 1であるこれからストークス光 n について次式が導き出される dn dt gn g 1 ex( h / k T) ( 0) (5) B (4) 図 5 利得及び OSNR の測定結果 (0km R=0,R=0.5) これらをもとにいくつかのPONシステムにつき数値シミュレーションを行った 1 例を図 6に示ここで g は利得を表わし h,k B,T はプランク定す距離 L=0km, 分岐数 18 ( この時の SC の数ボルツマン定数絶対温度を表わすまた損失 db) 光線路損失 0.dB/km (at 1550nm) とはポンプ光および信号光の周波数である 0.3dB/km( 接続損失など ) 下り信号波長 1580nm,

4 OSNR [db] gain [db] 上り信号波長 170nm ポンプ光波長側で光プリアンプとして使用する 1480nm,100nm で下り 1 信号上り 1 信号光パワーすべて 5dBm であるこの場合 1580nm の下り信号は 1480nm のポンプ光で増幅されるが 100nm のポンプ光からの影響は無い一方 170nm 上り信号は 100nm のポンプ光で増幅され 1480nm のポンプ光で減衰する OLT Pum Lum Raman CO ldown Pum l1, l EDF Remotely um R Star Couler #1 ldown lu #N #j Subcriber # i Otical receiver ONU 図 7 10G-EPON へのハイブリッドラマン増幅の適用 980nm と 1480nm の両方のポンプ光を用いる EDFA は 1991 から 199 年に検討されているが実験結果のみで特性を説明する理論的な検討は無いので新たに簡単な理論を構築した図 8 図 9 に 980nm と 1480nm の両方のポンプ光が存在する場合の利得と OSNR の計算結果 (CAL) と実測結果 ( ファイバ長 1m で市販品のため信号光波長図 6 P OSNRの計算結果 () ハイブリッドラマン増幅 10G-EPON(XG-PON) の高度化 ( 高速化長距離化分岐数の増大化など ) をするために光増幅の適用を検討したラマン増幅は優れた特性を持つ 1565nm で実験 ) を示す構築した理論による計算は実測の傾向をよく説明している 1480nm が 4mW になった場合 980nm を 10~0mW 程度供給する事で 0dB を超える増幅が得られる事が分かるが欠点として増幅度が低くその適用は限られる高度化するシステムによっては大きな増幅が必要になると思われるこのため図 7に示すハイブリッド構成を提案する 10G-EPON の 1577nm nm inut -14.3dBm 1480nm 4mW 1480nm 11.8mw 1480nm 4mw CAL 1480nm 11.8mW CAL の下り信号光を増幅するため局から 1480nm のポンプ光と 1577nm の下り信号光を伝送させる 1480nm のポンプ光は通常の伝送ファイバで分布ラマン増幅 (DRA) しさらに EDF のポンプ光として作用し DRA と EDFA のハイブリッド増幅を形成する伝送ファイバの距離が長いと局からの 1480nm のポンプ光はファイバ損失などで減衰し EDFのポンプ光として機能するだけのポンプパワーが得られない状況になりうるこの場合は契約した加入者もしくは何らかの手段を用いて加入者側から 980nm のポンプ光を供給する伝送路にはED Fのみであるため ive な PON の特長を有する一方上りの 170nm 信号は局側から分布ラマン増幅 (DRA) のため 110nm のポンプ光を供給するまた集中型のラマン増幅 (LRA) を構成し局 nm Punm ower [mw] 図 8 利得とポンプパワーの関係 (CAL は計算値 ) nm Punm ower [mw] 1565nm inut -14.3dBm 1480nm 4mW OSNR 1480nm 11.8mW OSNR 1480nm 4mW CAL 1480nm 11.8mW CAL 図 9 OSNR とポンプパワーの関係 (CAL は計算値 ) ハイブリッドラマン増幅で伝送実験を行い下り信号特性上り信号特性を図に示す

5 Relection coeicient R [db] BER BER 下り信号の場合光増幅の無い場合 DRA EDFA ハイブリッド増幅(1480nmのみ76mW) ハイブリッド増幅 (1480nm は180mWと 980nmは 5mW ) の各場合の測定結果を示すまた上り信近接のペアのみ考え同一偏光状態と見なして P=1 とする ( 式 9) 他方すべての接続ペアの組み合わせを考え P は 0 から 1 まで変化すると考えられるので P=0.5 とする ( 式 10) 号では光増幅の無い場合 DRA DRA +LRA の各場合の測定結果を示すなお LRA 増幅媒体 R C G R ( N 1) P (9) として実験室にある高非線形ファイバ (HNLF) を用いた許容減衰値減衰値 = 増幅値となると予測されこれらの測定結果はそれを実証している.5Gb BER-EXP 1565nm SMF 0km 0mW 0dB Raman 34mW R= dB gain Raman(76mW)+EDF gain 1.5dB EDF(0.98 9mW) 14.5dB gain Raman+EDF( ) 3.9dB gain 1.E-03 1.E-04 R C 0.5 G R N( N 1) P (10) α G, R,N, P は損失係数利得係数反射係数接続点数偏光の効果を表わす理論式の妥当性を調べるため実験を行い計算と実測値はおおむね良好な一致を得たこの結果をもとに接続点の反射係数への1dBパワーペナルテイの場合の許 1.E-05 1.E-06 1.E-07 1.E-08 1.E-09 1.E Relative ATT [db] 容接続点反射係数値要求値を定量的に求める GL =1を用いてP=1dB の場合の反射係数 Rを計算した結果を図 1 に示す横軸は接続点数で距離 L =0km としたまたポンプパワーは 600mW で採用したモデルはより厳しい式 (10) で計算し図 10 誤り率の測定結果 ( 下り信号 ).5Gb BER-EXP 170nm SMF 0km 1.0E E E-05 0mW 1.0E-06 DRA(gain=5.6dB) 1.0E-07 DRA+LRA (gain 11.8dB) 1.0E E ATT [db] 図 11 誤り率の測定結果 ( 上り信号 ) た Q=5.9 (BER= 10-9 ) の他に FEC の採用も考慮して Q=3.8 (BER= 5X10-5 ) の場合の結果も合わせて示している接続点数 N=300 は等接続点間隔の場合接続点間隔 S=67[m] となる P=1dB の場合の反射係数 Rは 600mW の場合概ね-33dB である融着接続は良好な反射特性を持つが実際にアクセス網で使用されているメカニカルスプライス光コネクタにおいてもこの要求値を満足している L=0km GL= 1 Power enalty 1dB Model- (3) ラマン増幅のPONでの反射の影響光アクセス網では多接続箇所を持つ複雑な光伝送路であり接続部の反射による伝送劣化が光増幅で増長される接続部の反射による伝送特性劣 Q=5.9 Q=3.8 化を伝送のパワーペナルテイ P で評価する先行 Number o lice 研究をもとに光増幅を持つアクセス網に適用できるように修正をした Pは次式で表わされる P 10log(1 R Q C ) (8) ここで Q=5.9 が BER= 10-9 に対応する R c はつの場合を想定した多数の接続点が有る中で最図 1 反射係数要求値の接続点数依存性 5. 主な発表論文等 ( 研究代表者研究分担者及び連携研究者には下線 ) 雑誌論文 ( 計 7 件 ) [1] N.Khima, Tranmiion Proertie o Pive Otical Network uing hybrid-raman amliier J. o Ot. Commun, 査読有, vol.35, No.1, 1-7, 014

6 March DOI; /joc []N.Khima, Bidirectional lum Raman amliication or both 10G-EPON and TWDM-PON, IEICE Communication Exre, 査読有 vol.3, No., 39-43, DOI; /comex.3.39 [3]N.Khima, Ugrade o Pive Otical Network uing Raman Amliication J. o Ot. Commun, 査読有 vol.34, No.4, , 013 DOI; /joc [4] N.Khima, Fiber deign conideration or lum Raman amliication in ive otical network, IEICE Communication Exre, 査読有 vol., No.11, , DOI; /comex..496 [5] N.Khima, Study o multiath intererence o ive otical network uing hybrid-raman amliier, IEICE Communication Exre, 査読有 vol., No.6, 63-67, DOI; / comex..63 [6] N.Khima, Feibility tudy o hybrid-raman amliier or ive otical network, IEICE Communication Exre, 査読有 vol., No.3, 118-1, 013 DOI; /comex..118 [7]N.Khima, Alication o Raman Amliication uing a Relector in Pive Otical Network, J. o Ot. Commun, 査読有 vol.33, No.4, 65-7, 01 DOI; /joc 学会発表 ( 計 14 件 ) [1] 加島宜雄ハイブリッドラマン増幅を用いたPO Nにおける光バースト特性の検討電子情報通信学会全国大会 B 新潟大学 [] 加島宜雄, ハイブリッドラマン増幅を用いたパッシブ光アクセス網の接続反射特性の検討電子情報通信学会技術研究報告光ファイバ応用技術 OF T ネストホテル那覇 [3] 加島宜雄, ハイブリッドラマン増幅によるパッシブ光アクセス網の高度化電子情報通信学会技術研究報告光ファイバ応用技術 OFT エルトピア奈良 [4] 加島宜雄谷澤健二松岡諒ハイブリッドラマン増幅 PONへのEDF 励起方式の検討 (1) 電子情報通信学会通信ソサイエテイ大会 B 福岡工大 [5] 加島宜雄ハイブリッドラマン増幅を用いたPON における下り方向特性の検討電子情報通信学会通信ソサイエテイ大会 B 福岡工大 [6] 加島宜雄, 10G-EPON 高度化のためのハイブリッドラマン増幅の検討電子情報通信学会技術研究報告光ファイバ応用技術 O F T まりんぴあ宮古 [7] 加島宜雄パッシブ光アクセス網における反射器を用いたラマン増幅の伝送特性電子情報通信学会全国大会 B 岐阜大学 [8] 加島宜雄, ポンプ光反射器を用いたラマン増幅のパッシブ光アクセス網への適用電子情報通信学会技術研究報告光ファイバ応用技術 OFT アスティとくしま [9] 加島宜雄, パッシブ光アクセス網におけるポンプ光反射器を用いたラマン増幅の検討電子情報通信学会技術研究報告光ファイバ応用技術 OFT 海峡メッセ下関 [10] 加島宜雄 PON を用いたアクセス網のラマン増幅の ASE OSNR の波長依存性電子情報通信学会通信ソサイエテイ大会 B 富山大学 [11] 加島宜雄ラマン増幅の偏光および波長依存性の検討電子情報通信学会全国大会 B 岡山大学 [1] 加島宜雄佐々木悠三遠藤宏紀 PON を用いた光アクセス網におけるラマン増幅の検討電子情報通信学会技術研究報告光ファイバ応用技術 OFT サンポートホール高松 [13] 佐々木悠三, 加島宜雄 PON を用いたアクセス網におけるラマン増幅の検討 (6) 電子情報通信学会通信ソサイエテイ大会 B 北海道大学 [14] 遠藤宏紀, 加島宜雄 PON を用いたアクセス網におけるラマン増幅の検討 (5) 電子情報通信学会通信ソサイエテイ大会 B 図書 ( 計 0 件 ) 産業財産権出願状況 ( 計 0 件 ) 名称 : 発明者 : 権利者 : 種類 : 番号 : 出願年月日 : 国内外の別 : 取得状況 ( 計件 ) 名称 : 発明者 : 権利者 : 種類 : 番号 : 取得年月日 : 国内外の別 : その他ホームページ等 6. 研究組織 (1) 研究代表者加島宜雄 (KASHIMA Norio) 芝浦工業大学工学部通信工学科教授研究者番号 : () 研究分担者 ( ) 研究者番号 : (3) 連携研究者 ( ) 研究者番号 : 北海道大学

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<4D F736F F D208E518D6C B791BD8F6482CC8FDA8DD72E646F63> 参考 4 波長多重の詳細 1 波長多重の基本 1.1 波長多重の方式異なる波長の光を 1 本の光ファイバで伝送することを波長多重伝送という波長多重をする方式には以下の 2 方式がある (1) 粗い波長多重 CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing) (2) 密な波長多重 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)