光ネットワーク多重化の簡単な分析

光ファイバ通信 において 、多重化は既存の光ファイバネットワーク技術の容量拡大のための主要な手段と考えられています。多重化技術には、時分割多重（TDM：Time Division Multiplexing）、MIMO（SDM：Space Division Multiplexing）、波長分割多重（WDM：Wavelength Division Multiplexing）、周波数分割多重（FDM：Frequency Division Multiplexing）などがあります。しかし、FDMとWDMには本質的な違いがないと一般的に考えられているため、波長分割多重は大きく分けて周波数分割多重と「ニッチ」に分類され、どちらも同じクラスに含まれます。以下では、空間分割多重（SDM）、時分割多重（TDM）、波長分割多重（WDM）、  CWDM、OADMの 多重化アプローチについて説明します。

1. TDMテクノロジー

TDM 技術は、非常に成熟した多重化電子通信技術です。この技術では、伝送時間が複数のタイムスロットに分割され、対応するスロットに一定の規則に従って多重化信号が伝送される必要があります。これにより、多チャネル信号の多重化伝送が実現されます。ただし、この技術は電子通信に使用されるため、電子速度、空間容量、互換性など多くの面での制約があり、電子時分割多重化速度はそれほど高くありません。たとえば、PDH 信号は 0.5Gbps にしか達しませんが、SDH システムの信号同期インターリーブ多重化方式は 10Gbps (STM-64) の速度に達していますが、20Gbps を達成するのは非常に困難です。一方、光ファイバーでは、光信号に発生する損失 (減衰)、反射率、波長分散、偏波モード分散 (PMD) が、高速変調信号の伝送に重大な影響を及ぼします。 STM-64以上の高速伝送では、PMDパルス拡散効果によって信号が「ぼやける」状態になり、受信機が誤判定を起こす原因となります。これは、異なる偏光モードによって光ファイバーの伝送路上でわずかな時間差が生じるためです。そのため、PMD係数は0.1ps/km以下という一般的な要件を満たす必要があります。つまり、電気時分割多重技術の限界により、電子通信の伝送速度は10～20Gbps未満に制限されます。

光時分割多重（OTDM ） 

OTDM信号変調は、同一の光周波数で異なるチャネルを持つ複数の無線チャネルを多重化し、同一の光ファイバーで伝送する拡張技術です。光時分割多重化技術には、超狭帯域光パルス生成・変調技術、光多重化・多重分離技術、光タイミング抽出技術が含まれます。

a. 超狭帯域光パルス生成。光時分割多重化技術では、5～20GHzという極めて小さなデューティサイクルと超狭帯域光パルス出力を提供する光源が必要であり、利得スイッチングLDモード同期法、電界吸収ストローブ連続光変調法、およびファイバグレーティング法によるSC（スーパーコンティナム）光パルス生成が実現されています。利得スイッチング法は、5～7psのパルス幅を生成でき、光パルスのパルス繰り返し周波数は10GHz程度で任意に調整でき、他の信号との同期が容易という利点があります。利得スイッチング法のパルス光源は、様々な高速光伝送実験や光計測に利用されています。SC光パルス幅は1psを超え、最も狭いのは0.17psです。さらに、調整された線形変調ファイバグレーティングの分散値を使用して電気吸収変調器の出力光パルスの形状を補正し、パルス幅が5.8ps、デューティサイクルが6.3%の10GHzの光パルスを生成することもできます。

b. 完全な光多重化/逆多重化。光遅延線と3dB光方向性結合器による光時分割多重化を構成します。超高速システムでは、シリコン基板上に光遅延線と3dB光方向性結合器の方向性を集積し、光多重化装置として平面導波路回路（PLC）を形成することが好ましいです。全光逆多重化装置は、OTDM信号の光受信端を逆多重化します。逆多重化装置として、光カースイッチマトリックス光逆多重化装置、相互位相変調周波数シフト光逆多重化装置、四光波混合スイッチ光逆多重化装置、非線形光ファイバループミラー型（NOLM）光逆多重化装置などのデバイスを開発しました。デバイスに関係なく、偏波に関係なく、低電力光信号の信頼性と安定した制御が必要です。

c. 光タイミング抽出技術。光タイミング抽出の要件は、超高速動作、低位相雑音、高感度であり、偏光とは無関係です。位相検出器として構成された高速マイクロ波ミキサーPLL（PLL）を開発し、さらに光路で構成されたファブリ・ペロー干渉計と光発振回路（FPT）を組み合わせることで、クロックリカバリ機能を実現しました。

SDM テクノロジー

SDM の一般的な理解は、複数の光ファイバー、つまりケーブルを多重化することである。場所によっては、既製の光ファイバー通信ネットワーク パイプラインが存在し、空き位置がある。そのため、パイプラインの容量を増やすには、電子的に行うよりも便利な、より多くの光ファイバーに引き込む。MIMO のもう 1 つの理解は、光ファイバー内で空間分割多重化を実現すること、つまり光ファイバーの光ビームの空間コア領域を分割することである。シングルモード ファイバーのコア部分のコア径はわずか 9 ～ 10 mm であり、伝送ビームの波面の各点の位相が変動するため、この波面を空間的に分割することが極めて困難である。最近、コヒーレンス度の理論的な分割方法が提案されているが、実用化にはまだ長い道のりがある。

.  WDMテクノロジー

WDMは、複数の光源からの光キャリアをそれぞれ電気信号に変換し、光ファイバーで多重化して伝送し、受信側でコヒーレントヘテロダイン検出通信方式、または同調受動フィルタを用いて従来の通信方式で直接チャネル選択を実現する技術です。WDM技術は通信容量を拡大するだけでなく、通信に莫大な経済的メリットをもたらすことができます。そのため、近年、この分野の研究が盛んになっています。WDM技術は、1本の光ファイバーで複数の波長（チャネル）を伝送するシステムで、1本の光ファイバーを複数の「仮想」ファイバに分割し、各仮想ファイバは独立して波長を伝送します。各チャネルの速度は最大2.5～10Gbpsです。

a. 高密度波長分割多重

いわゆる高密度波長分割多重技術（DWDMとも呼ばれます）は光ファイバーデータ伝送技術を指し、この技術はビット並列伝送に応じてレーザーの波長を使用し、ストリングライン伝送方式でデータを光ファイバーで伝送します。

DWDMは、まず特定の周波数（波長、ラムダ）内の特定の帯域に光信号を分配し、その後、信号を光ファイバーに多重化することで、敷設済みのケーブルの帯域幅を大幅に拡大します。信号の導入は光層で終端されないため、インターフェースの速度とフォーマットを独立して維持することができ、サービスプロバイダーは既存の設備をDWDM技術とネットワークに統合しながら、既存の敷設ケーブルで多くの帯域幅を利用できるようになります。

DWDMは複数の光信号を一括伝送することができ、これらの光信号を同じグループにまとめ、同時に増幅して1本の光ファイバーで伝送できるため、ネットワークの帯域幅も大幅に向上します。信号の各ベアラは、異なる伝送速度（OC-3/12/24など）と異なるフォーマット（SONET、ATM、データなど）に設定できます。例えば、OC-48（2.5Gbps）とOC-192（10Gbps）のSONET DWDM信号を混在させたDWDMネットワークでは、最大40Gbpsの巨大な帯域幅を実現できます。DWDMシステムを使用することで、システム性能を維持しながら上記の目的を達成でき、既存の伝送システムと同等の信頼性と安定性を実現できます。将来の DWDM 端末は、OC-48 のように合計 80 波長を伝送して 200 Gbps の伝送速度を実現したり、OC-192 のように最大 40 波長を伝送して 400 Gbps の伝送速度を実現したりすることができます。この帯域幅は、9 巻の百科事典の秒伝送には十分です。

b.  CWDM技術

DWDM 技術は 現在、光ファイバー アプリケーションに好まれていますが、その高価な価格が幅広いアプリケーションに影響を与えています。通信市場のニーズに直面して、CWDM (低密度波長分割多重) が誕生しました。CWDM は、低コストで高アクセス帯域幅を備え、さまざまな一般的なピアツーピア、イーサネット、SONET リング ネットワーク構造に適しており、特に、建物やビルディング ネットワーク通信など、短距離で高帯域幅のアクセス ポイントを集中的に使用する通信アプリケーションに適しています。特に注目すべきは、CWDM と PON (パッシブ光ネットワーク) の使用です。PON は安価なポイントツーマルチポイント光ファイバー通信モードで、CWDM と組み合わせることで、各単一波長チャネルを PON の仮想光リンクとして使用し、ブロードバンド データ伝送用の中央ノードと複数の分散ノードを接続できます。

しかし、CWDMはコストと性能の妥協点であり、必然的に性能上の限界があります。業界の専門家は、CWDMの性能は依然として4ポイント未満であると指摘しています。

1. CWDM では 1 本のファイバーで多重化される波長数をサポートできないため、将来の拡張にかかるコストが高くなります。

2. 多重化装置と多重復調器のコストをさらに削減するため、これらの装置は対応する装置の簡単な改造で DMDM できるだけでなく、

3. CWDM はまだ標準規格が制定されていません。

.  OADM

人々の関心が波長分割多重（WDM）光ネットワーク分野に集中するにつれて、OADMへの注目が高まっています。これらのデバイスは、光波長領域で従来のSDH OADMを時間領域で機能させます。特にOADMは、WDMチャネルのビームを分離することができ（譲渡機能）、一般的に同じ波長に基づいて光キャリアに新しい情報を挿入します（挿入機能）。OADMの選択性は、転送デバイスから次のチャネル信号または道路信号を選択するか、特定の波長の信号のみを選択して、他の波長チャネルの伝送には影響を与えません。OADMは光領域で、OADMは時間領域で、機能が完結し、透過性があり、SDHのあらゆる信号形式と速度を処理できます。ネットワークの信頼性を向上させ、ノードコストを削減し、ネットワーク運用効率を向上させることができるため、オール光ネットワークの形成に不可欠な主要機器です。 OADMの場合、サブ出力ポートと入力ポート間、および入力ポートと出力ポート間には、同一波長干渉の影響を最小限に抑えるため、高いアイソレーション（25dB以上）が必要です。そうでないと、伝送性能に深刻な影響を及ぼします。OADMを実現する技術として、WDMMUX/DEMUX、マッハツェンダ構造の光サーキュレータまたはファイバーグレーティングを用いた光サーキュレータ間、干渉フィルタと集積光学技術を用いたタンデムマッハツェンダ構造など、いくつかの技術が提案されています。最初の2つの方法はアイソレーションが最も高くなりますが、高価な機器が必要になります。ファイバーグレーティングまたは光集積技術を用いたマッハツェンダ構造は現在も開発段階にあり、必要なアイソレーションを実現するにはさらなる改良が必要です。

現状では、全光ネットワークはまずLAN、MAN内部の光ルーティングに適用され、その技術はWDM EDFAとブロードバンドをベースとしています。長期的には、全光ネットワークは必然的に波長分割、時分割、空間分割の3つの方式を組み合わせた発展の方向へと向かいます。その適用範囲はWANへと拡大され、ネットワーク範囲は全国または複数の国をカバーし、最終的には高速・大容量の全光ネットワークを実現することで、将来の通信サービスの需要に対応します。