冲电气成功开发高精度抑制阻碍下一代100Gbps超高速光通信的最主要原因偏振模色散（PMD）的技术
在160Gbps速率下动作验证成功，加速在现有光纤网上实现超高速光通信步伐
2009年4月17日 -- 冲电气工业株式会社（OKI）（总裁兼首席执行官：筱冢胜正）与独立行政法人信息通信研究机构（以下简称NICT，理事长：宫原秀夫）联合报道，随着今后宽带化的发展，每秒100千兆位（100Gbps）以上的下一代高速光通信需求将日益高涨。冲电气成功开发了能高精度抑制阻碍100Gbps以上的下一代高速光通信的最主要原因——偏振模色散（PMD）(注1)的技术。应用本技术的「PMD抑制装置」在高于100Gbps的更高速，受PMD影响更大的160Gbps光信号上动作验证也获得成功。通过这一技术，即使是在现有光纤网上也能实现有PMD影响的情况下，不受通信距离限制的超高速光通信。
另外，本研究成果是作为总务省正在推进的“关于光网络技术的研究开发”的一个环节，所进行的NICT的委托研究项目“λ实用技术的研究开发”中取得的。
背景
在2010年，预计将实现40G/100G以太网的标准化等，随着网络的飞速宽带化，朝着实现100Gbps级别的高速光通信加快发展步伐。100Gbps的光通信系统与现行的10Gbps系统相比，通信容量达到10倍的大容量。但另一方面，更容易受引起通信品质下降的最主要原因PMD的影响。日本现行的光纤网（基干网总长：约30万km），受PMD的影响较大的光纤(注2)占50%以上，要实现100Gbps的系统降低PMD的影响成为不可或缺的条件。
此次取得的成果
偏振模色散（PMD）会造成光信号波形失真，如果发生PMD，一般接收到的信号波形会产生扩散现象（波形变粗），无法进行正确的数据交换。由于PMD受光纤敷设状况及外部环境的影响而随机变化，所以造成通信品质下降。特别是，越高速越容易受PMD的影响，这也是造成100Gbps系统通信品质下降的最主要原因。
此次，冲电气开发、制造了将PMD引起的受信光信号波形失真复原到原来状态的光电路（「PMD抑制装置」）。采用本装置后，对容易受PMD影响的160Gbps信号进行了动作验证试验，对于模拟的PMD所产生的失真波形基本上成功复原到了原来状态。这是因为应用了冲电气开发的能产生超微小光路差的技术，所以首次获得了成功。<补充资料2>
传输速率为100Gbps时，PMD特性比较好的新光纤只能传输几百公里，90年代前期敷设的旧光纤只能传输几十公里，采用冲电气此次开发的技术后，可以实现不受这样的通信距离限制的超高速传输。
今后的展望
冲电气此次成功开发的PMD抑制技术，具有不依存传输速率，功耗低等优点，可适用于100Gbps以上的传输速率，节能化等需求一直被看好的将来。今后冲电气将进一步确保PMD抑制装置的长期稳定性及促进装置的小型化，努力实现PMD抑制装置的实用化目标。
开发的「PMD抑制装置」的结构、特点及动作验证实验的成果
参照图1说明在传输路（光纤）中发生PMD时的PMD抑制原理。在该图（1）是发送器的输出信号。（2）是受PMD影响，在光纤内以不同速度传输的两个分离信号。这两个成分的分离量称为DGD。而且，随着信号速度加大，会产生复杂的信号失真（例如，图中的紫色线所示的复杂的信号失真）。通过PMD抑制器进行控制，将该信号（2）复原到原来的波形（1）。首先，（3）是将两个分离成分中先到达的信号成分延迟到达，使得两个信号成分到达时间一致。其次，（4）是用只能通过一个方向的光元件（偏振光束分光器），去除造成复杂的波形失真的原因。
图1：PMD抑制器的构成及动作原理
一般来说，使用以往可变DGD发生器调节DGD的大小时，可变DGD发生器的输出信号状态将大幅度不连续地变化。因此，在可变DGD发生器的后面，无法同时使用只能通过特定方向的偏振光束分光器（polarizing beam splitter）。针对这一情况，冲电气新开发了可变DGD发生器，可以调节出极其微小的变化（DGD step：0.05飞秒*），产生可变DGD时的状态变化基本上可以达到连续变化。通过这一技术，首次实现了使用可变DGD发生器达到高精度的补偿功能的同时，又通过偏振光束分光器实现了PMD抑制功能。（*1飞秒为1000兆分之1秒）
通过偏振光束分光器除去的信号被作为监视信号利用。在此要说明，只要控制是正常的话，被除去的信号将不含中心波长成分，利用这一特性，可以实现使中心波长成分为最小的自动控制。通过这些技术，可以切实可行地抑制PMD。在图2及图3中，显示了使用160Gbps信号所实施的PMD抑制效果的验证试验的结果。
图2（a）是发送器的输出波形，（b）是受PMD影响的失真波形，而（c）则是通过「PMD抑制装置」抑制了波形失真的信号波形。
图3是相对于波长的光信号强度（光谱）的测量结果。实线表示PMD抑制装置在最优化控制状态下，PMD监视器的输入信号光谱。虚线表示发送信号的光谱。如该图所示，表明PMD监视器的输入信号的中心波长成分变小时，可以获得较高的PMD抑制效果。
表示光信号品质指标之一的Q值，是指发送器输出为27dB，PMD等化后相当于26dB，基本上可以复原到发送时相同水平的信号。
图2：160Gbps光信号的PMD抑制试验结果（时间波形）（a）发送器的输出信号：Q值27dB、（b） 含高次谐波的因PMD引起的品质劣化信号：无法接收到信号、（c） PMD受到抑制后的信号；Q值26dB。（横轴：1个刻度3皮秒，纵轴：任意）（*1皮秒为1兆分之1秒）
图3：160Gbps发送器输出信号（赤）、PMD监视器信号（青）光谱
用语解释
- 注1：偏振模色散（Polarization-Mode Dispersion：PMD）
一般来说，光具有波的性质，按一定的方向一边振动一边传输的波称为偏振波。传输光信号的光纤横截面在理想状态下应该是真正的圆形，但实际上受制造过程的偏差和外部应力等影响只能达到椭圆形状。而椭圆形状的光纤将使光信号传输时分裂出与振动方向相差90度的偏振波。分裂出来的偏振波称为偏振模。由于这两个光信号（偏振模）以不同的速度在光纤中传输，所以到达受信器时就产生了时间差。这一时间差称为微分群延迟差（Differential Group Delay：DGD），也就是表示PMD的大小尺度。而且，光信号的振动方向（偏振模的方向）、DGD的大小，随光纤的敷设状态而变化。这一现象被称为偏振模式色散（PMD）。
DGD越大，光信号与邻近的信号无法区分，光重叠的“0”和“1”的数字数据将无法正确识别，也就是说将引起无法通信的状况。光纤产生的DGD可以通过与光信号相反的DGD来补偿，而PMD受外部环境影响时时刻刻都在变动，要正确监视这一变动，随时进行正确的DGD补偿的话，自动跟踪技术尤其重要。
而且，PMD的产生状态随频率而不同。一般情况下，光信号与传输速度成比例地使占有频宽扩大。因此，光信号越是提高传输速度将越容易受PMD影响而产生复杂的波形失真。
- 注2：受PMD的影响较大的光纤（光纤敷设年代与PMD的关系）
PMD的大小与光纤的制造技术有关，敷设年代越长的光纤，PMD就越大。PMD的大小用PMD系数（单位：ps/km0.5）表示。比较新的光纤，一般PMD系数在0.1ps/km0.5以下，八十年代至九十年代前期敷设的光纤大多数PMD系数为0.2ps/km0.5～1ps/km0.5。PMD系数是表示PMD产生的DGD的平均程度的指标，例如，1ps/km0.5的光纤传输线路，是指100km可以平均产生10ps的DGD的意思。
关于冲电气工业株式会社
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