通信システム工学特論

1. 通信システム工学特論 Special Lecture on Communication Systems Engineering フォトニックネットワーク概論 H20年 7/24開講 山田 博仁

2. 講義内容 講義の目的: フォトニックネットワークが求められる背景を理解し、将来のネットワークのしくみについて学習する 主な講義内容 　・ 光ネットワークの現状とフォトニックネットワークが求められる背景 　・ ネットワークの基礎 (回線交換とパケット交換) 　・ 光ノードのしくみ (光パスと波長ルーティング, OADM, OXC) 　・ フォトニックネットワーク (OBSとOPS, MPLS) 成績評価　　レポート 参考書 　・ 佐藤健一編・著、古賀正文著、広帯域光ネットワーキング技術 - フォトニックネットワーク -、電子情報通信学会 　・ Ken-ichi Sato, Advances in Transport Network Technologies Artech House Publishers 講義資料のダウンロード: http://www5a.biglobe.ne.jp/~babe 質問等は: E-mail: yamada@ecei.tohoku.ac.jp

3. 光ネットワーク

4. IPトラフィックの増加 2倍/2年 国内の全インターネット トラフィックは平均で約500Gbps Internet traffic of IXs in Japan http://www.jpix.ad.jp/en/techncal/traffic.html

5. 光リンクの伝送容量の変貌 10,000 実験 商用システム ETDM ETDM 1,000 WDM + ETDM WDM + ETDM OTDM 100 WDM + OTDM FA-10G 10 F-1.6G 伝送容量 (Gbit/s) F-2.4G FSA-2.4G FA-2.4G 1 F-1.8G WDM System new F-600M F-600M FS-400M F-400M 光増幅器使用 0.1 SDH System F-100M 分散シフト光ファイバー使用 F-32M 0.01 DFB-LD使用 F-6M 単一モード光ファイバー使用 1980 1985 1990 1995 2000 2005 年 日本における光ファイバー伝送大容量化の進展

6. 超大容量光リンク 多重化方式 ・ 空間多重　光ファイバーは細い(直径:125mm)ので、多数本を束ねられる ・ 波長多重(WDM)　光ファイバー自体の伝送帯域は200THz以上ある 　　　　　　　　　　　　　数百波長の光信号を1本の光ファイバーで送ることも可能 ・ 光時間領域多重(OTDM)　超高速光信号処理技術を用いて、電気信号処理 　　　　　　　　　　　　　　　　　　を用いることなく全光信号処理により、1波長で 1Tbpsの伝送も可能 ・ 光符号領域(OCDM)多重　光符号化技術を用いて、電気信号処理を用いるこ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　となく全光処理により時間領域或いは周波数領域 　　　　　　　　　　　　　　　　　　で多重 ・ 偏波多重　直交する2つの偏波に信号を載せる方法。偏波保持ファイバーが 　　　　　　　　必要 上記の方式を組み合わせることにより、1本の光ファイバー当たり10Tbps以上の光伝送が実現されている

7. 光ネットワーク ノード 光リンク (光ファイバ) ノード (ルータ) ノード (ルータ) ノード 光(O) – 電気(E) – 光(O) 受光素子 (PD) 電子スイッチ 発光素子 (LD) 光変調器 光信号 バッファ メモリ 発光素子 (LD) 光変調器 電気信号 ヘッダ 解析 光デバイス 発光素子 (LD) 光変調器 宛先検出 電子デバイス

8. 伝送ノードのスループットの変貌 10,000 フォトニックトランスポートシステム (OPXC, Photonic MPLS Router) NTTの商用システム 1,000 試作システム OXC 100 VC-3/4 XC ATM XC VC-11 XC 10 ATM XC トータルシステム スループット (Gbit/s) OXC ATM XC 384 kbit/s XC ATM System 1 384 kbit/s XC SDH System 0.1 PDH System OPXC: Optical Path Cross-connect 1980 1985 1990 1995 2000 2005 年 日本における伝送ノードスループットの拡大

9. ノードの処理速度がボトルネック リンク容量: 10Tbps (40Gbps × 256波 WDM) ノード処理速度: 100Gbps 高速道路 渋滞 料金所 ノード 光リンク (光ファイバ) ノード (ルータ) ノード (ルータ) ノード

10. フォトニックノードによるボトルネック解消 リンク容量: 10Tbps (40Gbps × 256波 WDM) ノード処理速度: 100Tbps 高速道路 ETCシステム ノード 光リンク (光ファイバ) ノード (ルータ) ノード (ルータ) ノード

11. フォトニックネットワークとは 光リンクを流れる光信号を一旦電気に変換することなく、光のまま交換する次世代の光ネットワーク フォトニックネットワークが求められる背景 ・ ブロードバンド インターネットの急速な普及 ・ 通信トラフィックの急激な増加 →　ノードでの処理がボトルネックに ・ 15年後には、国内の総発電量の20%をNW機器が占める事態に →　ノードの低消費電力化が必須 フォトニックネットワーク

12. ネットワークの基礎

13. 交換方式 回線交換器 パケット交換器 パケット交換器 ラベル データ 回線交換 例) 電話 鉄道のポイント切換え エンドユーザーによって一つの回線が専有される パケット交換 例) データ通信、インターネット 宅配便 一つの回線が皆でシェアされる

14. 回線交換 回線交換 回線交換器 回線交換器 回線数: M 加入者数: N 加入者数: N 呼損率 A: トラフィック量 M: 回線数 N: 加入者数 トラフィック量と所要回線数との関係

15. 回線交換 ノード ノード 送信端末 受信端末 予約 予約 設定 回線予約設定時間 予約 設定 設定 データ転送時間 データ転送 t 回線交換方式 予め送信者と受信者間で回線(コネクション)の設定・確保を行う データを送る前に制御信号を送る

16. 回線交換 回線交換のメリット 特定のエンドユーザーによって一旦回線が確保されると、通信が終了し、回線が開放されるまでは、安定で良質の通信が可能 回線が混んできても、一旦接続されるとリアルタイムの通信が可能なため、電話においては自然な会話が保証できる 交換器の構造がシンプル 回線交換のデメリット 特定のエンドユーザーによって一旦専有された回線は、たとえデータが全く流れていない時間があったとしても、他のユーザーがそこにデータを流すことはできない

17. クロスバー交換器 クロスバー交換器 Aさん Bさん Cさん Dさん Wさん Xさん Yさん Zさん 回線交換 A-X B-Y C-W D-Z A-Z B-W C-Y D-X ノンブロッキング 非閉塞 電話のクロスバ交換器

18. パケット交換 経路表 経路表 宛先 ポート 宛先 ポート ① 1 ① 1 ② 2 ② 1 ③ 3 ③ 1 ④ 4 ④ 2 ④ ① ⑤ 4 ⑤ 3 ⑥ 4 ⑥ 4 1 2 ② 4 1 2 3 ⑤ 3 4 ③ パケット交換器 パケット交換器 ⑥ データをパケット(Ether Netではフレーム, ATMではセルと言う)という単位に分割して送出 パケットにはデータと同時に、宛先を示す情報が書き込まれている 交換器は経路表に基づきパケットをいずれかのポートに送出する

19. パケットの構造 パケットの構造 データ ヘッダ データ ヘッダ データ ヘッダ データ ヘッダ データ パケット 宛先アドレス 送信元アドレス IPパケット　ヘッダ部: 20バイト + α, データ部: 可変長 Ether Net　ヘッダ部: 22バイト, データ部: 可変長(46～1500バイト) ATMセル　ヘッダ部: 5バイト, データ部: 48バイトの固定長 宛先アドレス　IPパケット　IPアドレス: 32ビット (IPv4), 128ビット (IPv6), Ether NetMACアドレス: 48ビット

20. パケット交換のしくみ パケット交換 宅配便 パケット交換器, ルーター 集配センター データ (ペイロード) 荷物 ヘッダ (宛先アドレス) 荷札 (送付先) 経路表作成, 宛先検索, 経路制御 仕分け作業, 荷物の積込み リンク 道路, (鉄道) リンク障害 交通事故などによる荷物の破損 宅配便との比較

21. パケット交換の特徴 パケット交換の特徴 一つの回線を皆でシェアし、エンドユーザーによる回線の専有はない データと同時に制御信号が送られる パケット交換のデメリット 回線が混んでくると遅延が大きくなり、通信のリアルタイム性が損なわれる 電話においては会話が不自然となる。　例) IP電話などで生じる

22. ネットワークの階層構造 インターネット ATM NW スイッチ アプリケーション層 電子メール レイヤ5 トランスポート層 レイヤ4 SW レイヤ4 TCP ネットワーク層 IP ルータ レイヤ3 データリンク層 Ether Net SWハブ レイヤ2 ATM ATMスイッチ ハブ 物理層 SONET SDH CAT5 レイヤ1 リピータ 光ファイバ WDM

23. ルータの機能 1. ルーティング (経路制御) ルータに入ってくるパケットを、どのポートに出力すべきかを決める ・ そのために、他のルータと連携してルーティングテーブル (経路表)を作成する ・ ルーティングテーブルは定期的に更新される 2. フォワーディング (宛先検索) ルータに入ってくるパケットの宛先を分析する 例) インターネット 郵便は実際、最長一致検索 ・ 最長一致検索 経路表のエントリ数が少なくてすむが、1回の検索では経路が決まらない 例) ATMスイッチ ・ 完全一致検索 日本の人口1億2千万のエントリが必要だが、1回の検索で経路が決まる 3. バッファリング パケットがある出力ポートに同時に出力されるような場合、衝突を避けるために待たせる

24. MPLS ノードに落ちてくるトラフィック ノードに落ちてくるトラフィック ヘッダ処理 ヘッダ処理 ノードを通過するトラフィック ノードを通過するトラフィック クロスコネクト処理 通常のIPルータ MPLSルータ MPLS (Multi-Protocol Label Switching) ノードに落ちてくるトラフィックに比べて、ノードを通過するトラフィックが大きい場合 ノードスループット拡大のための手法

25. MPLS ヘッダ データ ヘッダ データ 1 1 1 1 2 2 1 2 1 1 2 データ データ データ データ データ データ データ データ データ 2 2 IPパケット 個々のパケットにラベルを付与 カプセル化 ラベル データ IPパケット IPパケット カプセルを開けて IPパケットを取り出す カプセルを開けてIPヘッダを読む ネットワーク プロトコル (IP) ネットワーク プロトコル (IP) ネットワーク プロトコル (IP) カプセル化 ラベル1はNW層へ MPLS MPLS MPLS ラベル2はスルー MPLSルータ

26. 光ノード

27. 光ノードの種類 O-E-Oスイッチングノード 光ノード フォトニックノード O-O-Oスイッチングノード 1. 光パス(回線)スイッチング 　　・ 空間的光パス スイッチング　光の物理的な線路を切り替える 　　　　例) MEMS光スイッチ, 熱光学 (T-O)光スイッチ 　　・ 波長領域光パス スイッチング (波長ルータ) 　　・ 時間スロットパス スイッチング (OTDMネットワークノード) 　　・ 仮想パス スイッチング (OCDMネットワークノード) 2. 光バーストスイッチング (OBS) 3. 光パケットスイッチング (OPS)

28. 光スイッチ 入力1 出力1 入力1 出力1 入力1 出力1 入力2 出力2 入力2 出力2 入力2 出力2 2×2 スイッチ バー状態 クロス状態 クロスバー スイッチ 光スイッチの性能指標 ・ スイッチの規模:2×2, 1×N, N×N →　ガードタイム ・ スイッチング速度:msオーダーから nsオーダーまで

29. 光スイッチ 電気制御-光スイッチ　(光の経路を切り換えるが、ON-OFFの制御は電気で行う) スイッチング機構 特　徴 出力ファイバー メカニカル (MEMS) Port1 mSオーダーの遅い切換え速度 安価 Port2 入力ファイバー 入力1 出力1 mS～mSオーダーの切換え速度比較的安価 熱光学(T-O)効果 ヒーター 入力2 出力2 + nSオーダーの高速切換え高価 - 電気光学(E-O)効果 電界印加 その他に、磁気光学(M-O)型、音響光学(A-O)型などもある 光制御-光スイッチ　(光-光スイッチ or All光スイッチ) ON-OFF制御も光でやる 現在研究開発中　将来の全光信号処理システムに使われるかも?

30. 3次元MEMS光スイッチ http://pr.fujitsu.com/jp/news/2003/09/29.html 2005年には、256×256チャネルを1msで切り替えられる光スイッチも開発 光スイッチ ファブリックの光学系 富士通が開発した80 ch 3次元MEMS型光スイッチ 光スイッチ ファブリック

31. 2次元MEMS光スイッチ コリメートレンズ ミラー 光ファイバー

32. Si細線導波路による熱光学(T-O)光スイッチ T. Chu et al., Optics Express 13, 10109 (2005) 素子特性 スイッチング電力: 90 mW 消光比: > 30 dB スイッチング応答速度: < 100 ms スイッチ素子の構造 スイッチング特性 スイッチ素子の写真 スイッチング応答特性

33. 超小型1×8光スイッチ Port1 Port2 Port8 T. Chu et al., Proc. SPIE 6477(2007) チップサイズは僅か1.4 mm×2 mm MZ型Si細線導波路光スイッチ素子 1×8光スイッチのスイッチングの様子 1×8光スイッチの写真

34. 超小型1×4光スイッチモジュール 入力 光ファイバーアレイ 250 mm 出力1 SW2 出力2 SW1 出力3 SW3 出力4 MiniDILパッケージへの実装 1×4光SW素子

35. 光(波長)パスについて l1 l1 端局 ノード l1 波長ルータ 波長ルータ l1 l1 ノード l2 端局 l1 端局 ノード l2 l1 波長変換 波長変換 l1 ノード 端局 波長変換が可能な場合

36. クラッド コア 0.5 mm 0.5 mm Si 基板 50 mm l1 l2 lN AWG 光合分波器: 光を波長によって分ける (分波器) / 多波長の光を束ねる (合波器) Arrayed Waveguide Grating この一本一本がこのような光導波路からなる 石英光導波路 スラブ導波路 Arrayed Waveguide Grating (AWG) AWGの動作原理

37. 波長ルータ l1 l3 l1 l3 l1 AWG or カプラ AWG l2 ポート1 ポート5 l3 l4 l1 AWG l2 ポート2 ポート6 l3 l4 l1 AWG l2 ポート3 ポート7 l3 l4 l1 AWG l2 ポート4 ポート8 l3 l4 AWGなどのパッシブな光部品のみで構成できる

38. OADM OADM l1‥‥ ln WDM信号 li li OADM l1‥‥ ln WDM信号 li li OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)とは OADM OADM OADM WDMリングNW OADM WDM信号の中から或る特定の波長のみDropし、Addするもの R-OADM (Reconfigurable OADM) Add/Dropできる波長を任意に設定可能であるもの

39. 波長可変光合分波器(R-OADM) L d L=370 nm d=30 nm electrodes add in 3-dB coupler signal in Bragg grating through 500 mm heater 3-dB coupler drop out 700 mm T. Chu et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 1409 (2006) マイクロヒーター加熱による熱光学効果で、最大 6.6 nmのドロップ波長可変幅を実現 波長切り換え速度 < 100 mS 分波特性 ヒーター加熱による波長チューニンク特性

40. 波長可変レーザ コリメート レンズ 回折格子 半導体光増幅器 出力光 光ファイバー 増幅器 波長可変フィルター ポンプ光 波長可変レーザの構成

41. 波長変換 1. O-E-O変換による l1 l2 PD 電気 LD 2. 各種非線形光学効果による 1) 半導体光増幅器(SOA)の相互利得変調(XGM) or 相互位相変調(XPM)を用いる a) 対称Mach-Zehnder干渉計 (SMZ)型 2) パラメトリック過程を用いる a) 和周波・差周波発生、第二高調波発生 b) 四光波混合 3) ラマン散乱

42. 波長変換 信号光がSOAに入射すると、XPMによりCW光の位相が変調される t 信号光 SOAなどの非線形光学媒質 l1 t CW光 t l2 l2 出力光 信号光のビットパターンがコピーされて出てくる t 出力光 l2 光導波路 半導体光増幅器(SOA)の相互位相変調(XPM)を用いる波長変換器 対称Mach-Zehnder干渉計 (SMZ)型

43. 波長変換 パラメトリック過程を用いる波長変換 a) 和周波・差周波発生、第二高調波発生 w3 = w1 + w2 w3 = w1 - w2 w2 = 2w1 仮想準位 w2 w1 w2 w3 w1 w2 w3 w1 w1 和周波発生 差周波発生 第二高調波発生 b) 四光波混合 w4 = w1 + w2 - w3 wi = 2wp - ws ポンプ光 仮想準位 仮想準位 w3 ws 信号光 wp w2 波長変換光 wi w4 wp w1 w (l) ws wp wi

44. 四光波混合による40Gb/s波長変換 Y.-H. Kuo et al., Optics Express 14, 11721 (2006) 逆バイアスされた 8cm長 SOI pin リブ導波路による40G波長変換 波長変換効率: -8.6dB Pump power: 450 mW 40Gbps NRZ波長変換実験系 波長変換出力スペクトル 40Gbps Eye Diagram 左: 入力信号 右: 波長変換出力信号

45. Si光導波路による波長変換素子 2 mm l=1542.3 nm 1542.3 nm 0.45 mm 1427.3 nm 1328.8 nm Si 0.48 mm SiO2 V. Raghunathan et al., IEICE Electron. Express 1, 298 (2004) ラマン効果による(1.55 mm→1.3 mm)波長変換 (Si リブ光導波路) コア Si リブ光導波路 ポンプと信号光が同一偏波 ポンプと信号光が直交偏波 変換された信号のスペクトル

46. 符合ラベル処理 l1 l4 l3 l2 l2 l1 l3 l4 データ データ データ t 波長ラベル 波長ラベル l2 l3 l4 l1 サキュレータ グレーティング光ファイバー グレーティングパターンとラベルが一致した場合 一致しないと データ データ データ t

47. 時間スロットパス スイッチング t3 t2 t2 t3 端局 ノード t4 t4 t t1 t2 t3 t4 ノード 端局 t1 t2 t1 t1 t3 t4 t1 t2 t3 t4 短い時間スロットの光パルスを切り出すため、超高速光スイッチが必要となる

48. 仮想パス(OCDM) スイッチング Code4 Code4 Code1 Code4 Code3 Code3 端局 ノード Code1 Code2 Code2 Code3 Code1で符号化 ノード 端局 Ch1 t t 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 Code1 Code2で符号化 Ch2 t t 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 Code3で符号化 Ch3 t t 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

49. 光バースト スイッチング方式 光バースト スイッチング (OBS) 回線交換と同様に、予め送信者と受信者間で回線(パス)の予約を行う ノード ノード 送信端末 受信端末 予約 REQ 予約 設定 回線予約設定時間 予約 設定 設定 ACK データ転送時間 バースト転送

50. 光パケット スイッチング方式 光パケット スイッチング (OPS) データと同時に制御信号が送られる ノード ノード 送信端末 受信端末 パケット転送 パケット転送 ヘッダ処理とバッファリングによる遅延 パケット転送