100Gbit/s 以上の容量を目指すマルチレベル変調フォーマット

アブハイ・M・ジョシ、シューバシシュ・ダッタ、アンドリュー・クロフオード

コヒーレント検出を組み合わせたマルチレベル変調フォーマットは、スペクトル効率を向上して将来の光ファイバリンクの情報容量を大幅に拡大する。

1980 年代の終わりごろからの光ファイバネットワークは、世界規模で絶え間なく拡大する光ネットワークの基盤になった。1988年に敷設された大西洋横断海底通信ケーブルTAT8などの初期の光ファイバリンクは、今日の標準的な比較的簡単なシステムから構成され、光ファイバ1 本あたり毎秒数百メガビット（Mbit/s）のオンオフ信号を伝送している。
　1992年になると波長分割多重（WDM）が採用され、それぞれのチャネルに独自の光搬送波周波数が割り当てられた複数光チャネルが、同一の光ファイバ内を同時に伝搬するようになった。WDMは光増幅器の技術革新を組み合わせて単一ファイバの情報容量の指数関数的増加を実現し、「情報化時代」の到来を告げた。
　最新のWDMネットワークは1本の光ファイバに50GHzのグリッド間隔をもつ80もの光チャネルを組み込み、システムに使われる光ファイバ増幅器のスペクトル限界に到達している。その結果、光チャネルの「水平積層」の増加による情報容量のさらなる拡張は不可能になった。しかしながら、主としてビデオ伝送により点火された情報伝送の世界需要はさらに成長すると予測されている（図1）（1）。最近はWDMを補足するハイレベル変調フォーマットのコヒーレント検出方式が光ファイバ基幹ネットワークのさらなる高度化の解決策として登場している。

ハイレベル変調フォーマット

情報チャネルは基本的に二値電子論理回路が組み込まれたさまざまな信号処理システム間で二値データ流の伝送を行う。物理媒体上での情報の高効率伝送には独立した直交次元の多重二値流の集合が必ず含まれる。
　波長分割多重は、このような次元の一つの光搬送波周波数を利用して、多重光チャネルの集合を可能にしている。従来のそれぞれの光チャネルは1bit/symbolのスペクトル効率をもつオンオフ変調（OOK）や差動位相偏位変調（DPSK）などの二値信号伝送方式を使用している。その結果、単一光チャネルの情報スループットは対応する符号速度と光電子および電子サブシステムのアナログ帯域幅を広げることで、40Gbit/sへの拡大が着実に進展した。
　現在の50GHzのWDMグリッド間隔を前提にすると、光チャネル間のクロストークを回避しながら符号速度をさらに増加して100Gボーを実現することは難しい。したがって、符号速度の増加ではなく、その他の直交次元、つまり光位相や偏光を利用したハイレベル変調による情報スループットの増強が必要になる（図2）。
　光位相を利用すると、四位相偏位変調（QPSK）用の信号配置が実証したように、同相（I）と直交（Q）の2つの二値データ流の多重化が同一の光搬送波で可能になる。このような2 つのQPSK信号は直交偏光状態での独立した変調が可能となり、4bit/symbolのスペクトル効率が得られる。確かに、通信業界は二重偏光QPSK（DPQPSK）を使用して100Gbit/s への光チャネルの高度化を25Gボーの符号速度で行うことに合意している（2）。
　スペクトル効率のさらなる増加は単一直交次元上での多重二値データの組み合わせ、つまり、二重偏光16直交振幅変調（DP16QAM）の場合のように、光搬送波周波数、位相および偏光の組み合わせが必要になる。DP64QAMなどのさらに複雑な非常に高いスペクトル効率をもつ変調方式も研究されている。残念なことに、符号の次元を増やすと、送受信機の設計が複雑になる。

DP I-Q送信機

二値変調フォーマットのOOKやDPSKを光搬送波に使用する光送信機は1つのマッハ‐ツェンダー変調素子（MZM ）しか必要としない。光位相と偏光の両方を利用すると、4つのMZM、つまり、それぞれの直交次元に対してそれぞれ1つのMZM が必要になる。MZM はいずれも入力電気信号を単一偏光状態にして送信機のレーザ信号（光搬送波）と同相にする。関係する二値データ流を他の3つの次元に移すには2 つの光移相器と1つの偏光回転子が必要になる（図3）。DPQPSKよりも高いスペクトル効率をもつ変調フォーマットは、光変調の前に多重二値信号を集めるためのデジタル‐アナログ変換器（DAC）が必要になる。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2012/05/201205_0038feature04.pdf