光アナログ-デジタル変換技術01 光アナログ-デジタル変換技術松浦基晴...

01

光アナログ-デジタル変換技術

松浦基晴

平成29年度後期光勉強会

平成29年度後期光勉強会, 松浦基晴, 2017.12.5

2017年12⽉5⽇

02

アウトライン

アナログ-デジタル変換（ADC）とは

ADCの光化（光ADC）

光ファイバ通信におけるADCの役割

光ADC技術の紹介

将来展望


03

アナログ信号とデジタル信号

・「類似」,「相似」の意味・何らかの物理量を表⽰する際に,

その表⽰がもとの物理量に類似,相似したものである

・⾃然界の物理的要素を何らかの量として表すこと（⽣データ）

デジタル（Digital）信号アナログ（Analog）信号

・アナログ量を数値化（量⼦化）して表したもの

・”0”もしくは”1”のビットという単位で表す

・データの通信, 記録, 解析などに広く利⽤（加⼯データ）

8

10進数 2進数⽩⿊0123456789

0000000100100011010001010110011110001001

□□□□□□□■□□■□□□■■□■□□□■□■□■■□□■■■■□□□■□□■

情報を正確に遠くまで伝えるのに適している

距離がどんどん遠くなると・・

通信におけるデジタル信号の優位性

100111011100001010100…


04

アナログ信号をデジタル信号に変換する理由

アナログ物理量

A-D変換器

デジタル記録/表⽰

デジタル処理/演算

解析, 分析データ

制御指⽰

アナログ制御量

D-A変換器

デジタル処理/演算

・アナログの物理量をデータとして計測し，記録，保存，出⼒データの記録, 表⽰

・デジタル信号処理技術と組み合わせることで解析, 分析を⾏うデータの解析, 分析

・デジタル信号処理後, 適切なアナログ信号を与えて制御を⾏うデータ解析によるシステム制御


05

アナログ-デジタル変換（ADC）の構成

アナログ信号

＜標本化＞（サンプリング）

＜量⼦化＞＜符号化＞

111110101100011010001000

デジタル信号

011101011001

決められたタイミングでアナログ信号の強度

を取り出す

それぞれのアナログ信号の強度を離散的な

強度に置き換える

それぞれの離散的な強度を数ビットの

デジタル信号で表⽰

・ADCは標本化, 量⼦化, 符号化の3つのプロセスで構成・量⼦化の際にはズレ（量⼦化誤差）が発⽣

時間

3bit(8level)


06

標本化におけるタイミング・ジッタ

・アナログ信号はクロック信号を⽤いて, 標本化される・クロック信号のジッタが量⼦化の精度に影響を与える

クロック信号

時間

時間

時間

ジッタによる量⼦化誤差

アナログ信号

6bits

8 bits

10bits

12bits

⼀般的なクロック信号

サンプリング速度と有効ビット数に対するジッタ依存性

P.W.Juodawlkis atal.,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,49,1840(2001)


07

量⼦化/符号化

000=0001=1010=2011=3100=4101=5110=6111=7

d1 d2 d3

量⼦化による誤差の発⽣

デジタル信号の重み付け

量⼦化誤差

・量⼦化されたデジタル信号の各ビットの最初と最後に重み付けによる名称

・LSB(LeastSignificantBit：最下位bit)アナログ値の分解能で決まる最⼩単位

3ビット, 8レベルデータの場合

・MSB(MostSignificantBit：最上位bit)アナログ値の全レンジの1/2の重み付け

・MSBはd1,LSBはd3・d3を基準にして,d2は2倍の重み,d1は4倍の重み

アナログ値A0〜A2は全てDn（量⼦化）

アナログ値（連続量）

A0 A2A1

Dn

Dn+1

Dn-1

デジタル値（不連続）

±0.5LSB

・最⼩ステップ幅（1LBS）は,

ここで,FSR:アナログ最⼤信号振幅,n:分解能（ビット）を⽰す

例） 8bit分解能 → 1LBS:0.39%,16bit分解能 → 1LBS:0.0015%


08

信号対雑⾳⽐と有効ビット数SNR:Signal-to-NoiseRatioSINAD:SIgnal-to-NoiseAndDistortionENOB:EffectiveNumberOfBits

周波数

振幅フル

スケール0 dB

fA fSfS/2

ADCにおけるSNR特性

サンプリング周波数

周波数 fAの 0dBサイン波信号（パワー:PS）

2次,3次,..,n次の⾼調波

（パワー:PD）雑⾳信号

（パワー:PN）

・信号対雑⾳および歪特性（SINAD）は,

・有効ビット数（ENOB）は,

例） 16bit分解能のADCで,SINAD特性が 92dBであれば,ENOB=14.99bitとなり,実際は15bit程度のデジタルデータが有効である


09

ADCの応⽤技術B.L.Shoop,Photonicanalog-to-digitalconversion,Springer(2001)

⾼精度データ収集医療⽤

画像処理レーダーシステム

電⼦戦

HDTV

サンプリングオシロ

衛星計測,通信応⽤


10

分解能とサンプリング速度の関係G.C.Valley,Opt.Express,15,1955(2007)

・電気的なクロック信号のジッタに起因する動作限界


11

動作速度と消費電⼒の関係S.Rajagopal,IEEECommun.Mag.,52,40(2014)

・⾼周波数による消費電⼒の課題が顕在化

FOM:FigureOfMerit

ここで,P:ADCの消費電⼒,fS:サンプリング周波数

500MHzを越えると消費電⼒が急増⼤


12

アウトライン





将来展望


13

光ADCの種類⼩⻄毅, 信学誌,99,992(2016)

1. 光サンプリング特化型（光標本化）2. 光アシスト型（光標本化+光インターリーブ（IL））3. 光ドミナント型（光標本化+光量⼦/符号化+光IL）


14

光サンプリング

・光領域でアナログ信号のサンプリング（標本化）・光クロック信号の低ジッタを活かした⾼性能化が可能

光クロック信号

時間

時間

時間

光サンプリングで量⼦化誤差を低減

光アナログ信号

6bits

8 bits

10bits

12bits

電気クロック

サンプリング速度と有効ビット数に対するジッタ依存性

P.W.Juodawlkis atal.,IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,49,1840(2001)

光クロック


15

光サンプリングによる⾼性能化A.Khilo etal.,Opt.Express,20,4454(2012)


16

光インターリーブ

時間

時間

時間

時間

量⼦化の並列処理が可能

デジタル信号への直列化

強度-周波数変換（光量⼦化）時間


17

光量⼦化/光符号化

論理回路型

強度-周波数変換型


伝達関数周期性型

- 半導体光増幅器（SOA）ゲート回路による光ADC

- ⾮線形ループミラー（NOLM）による光量⼦化

- ⾃⼰周波数シフトによる多波⻑フィルタスライス

- スーパーコンテニューム光によるスペクトルスライス

- 周波数チャープ信号のフィルタシフトスライス

M.Scaffardi atal.,Photon.Technol.Lett.,21,540(2009)

Y.Miyoshiatal.,J.Lightw.Technol.,28,415(2010)

T.Konishi atal.,JOSAB,19,2817(2002)

N.Ninomiya etal.,Proc.OFC2017,Th1.F.6(2017)

S.Odaatal.,Photon.Technol.Lett.,17,465(2005)

18

アウトライン





将来展望


19

デジタルコヒーレント光通信鈴⽊他,信学誌総合報告,95,1100(2012).

・多値変調を⾏うことで帯域を抑えたまま伝送速度の増加が可能・信号光と局発光の⼲渉で位相情報を⾼感度に受信可能

（DP-QPSKの場合：25 Gbaud x QPSK(2 bit) x 2 (DP:偏波多重) = 100 Gbit/s）

強度⼀定位相4値

0001

10 11


20

デジタルコヒーレント伝送⽤光トランシーバ

・送信側では信号光源，受信側では局発光源として共⽤・伝送速度はDAC，ADCの処理速度で制限される

DSP

DSP

C.Laperle atal.,J.LightTechnol.,32,629(2014)


21

デジタルコヒーレント伝送におけるDAC/ADC


コンスタレーションの例

振幅を円の半径, 位相を回転⾓で表⽰

トランシーバでのDAC処理

22

有効ビット数に対する影響C.Laperle atal.,J.LightTechnol.,32,629(2014)


23

広帯域伝送のための帯域ダブラ技術C.Laperle atal.,J.LightTechnol.,32,629(2014)

・DACで処理した伝送帯域を周波数領域で多重・周波数分割された伝送帯域をそれぞれのADCで処理


24

光ファイバ無線（RoF）におけるADCの限界

デジタルRoF（D-RoF）伝送帯域：12 Gb/s x 16 x 3 =576 Gb/s（OOK）⇒ ＞350GHz

アナログRoF（A-RoF）伝送帯域：200 MHz x 16 x 3 =9.6 GHz

⇒ Beyond 5Gでは？例）帯域: 200 MHz, 16 x 16 MIMO，3セクタアンテナ

B.G.Kimetal.,Proc.CLEO-PR/OECC/PGC2017,1-4K-1(2017)


・光領域でのアナログ⇔デジタル変換の需要が拡⼤

25

アウトライン





将来展望


26

光サンプリングと光インターリーブA.Khilo etal.,Opt.Express,20,4454(2012)


隣接パルス間で波⻑が異なるパルス列を⽣成

光サンプリング

光インターリーブで¼の電気段での低速処理

27

時間伸⻑と波⻑ラベル化による光インターリーブA.S.Bhushan atal.,Electron.Lett.,34,839(1998)


28

光インターリーブの有効性A.Mahjoubfar atal.,NaturePhoton.,11,341(2017)

・アナログ信号の時間伸⻑によるジッタ耐性が緩和・波⻑ラベル化による並列処理による処理速度の低速化


29

⾃⼰周波数シフト


光パルスがファイバ中を伝搬する際，⼊⼒光パワーに応じて光パルスの中⼼周波数（波⻑）がシフトする現象

⾃⼰周波数シフトのシミュレーション結果

⼊⼒光パルスのピークパワー

中⼼周波数シフト

固定⻑の光ファイバを伝搬させた際の⼊⼒光パワーと中⼼周波数シフトの関係

30

⾃⼰周波数シフトによる光量⼦化


T.Konishi atal.,JOSAB,19,2817(2002)

⾃⼰周波数シフトによって⼊⼒光パルスのパワーに応じた

中⼼周波数シフトが発⽣

⼊⼒光パルスのパワーに応じて，出⼒ポート

がスイッチされる

⾃⼰周波数シフトによって，⼊⼒光パワー（光強度）の情報を周波数（シフト）に変換する光強度-周波数変換

31

⾃⼰周波数シフトによる光ADC実証実験


実験構成図

出⼒パルス波形．⼊⼒平均パワー（a）8.9 mW, （b）9.9 mW, （c）10.4 mW

T.Nishitani atal.,Opt.Rev.,12,237(2005)

32

⾮線形ループミラー（NOLM）による光量⼦化


マッハ・ツェンダー変調器の原理NOLM型スイッチの原理

相互位相変調による位相シフト

NOLMによる光量⼦化の原理

基本原理は同じ

Y.Miyoshiatal.,Proc.OFC,OMI4(2005)

33

改良型PM-NOLMによる光ADC


Y.Miyoshiatal.,J.Lightw.Technol.,28,415(2010)相互位相変調による位相シフトは制御パルスのピークパワーが⽀配的．しかし，反対⽅向から

の平均パワーの影響もあり

タイミングをずらした制御パルスの⼊⼒

改良型PM-NOLMの構成

追加制御パルス有/無の伝達関数

実験構成図

それぞれのビットに対応した伝達関数

34

半導体光増幅器（SOA）ゲート回路による光ADC


SOAゲート回路による光ADC（a）ゲート回路, （b）ゲート回路の伝達関数（c）2 bit SOAゲート回路の構成

Inputlevel #1 #2 2 bits

L1 1 0 01

L2 1 1 11

L3 0 1 10

L4 0 0 00

M.Scaffardi atal.,Photon.Technol.Lett.,21,540(2009)

1110

1000 0001

35

既報研究の問題点


⾃⼰周波数シフトによる光ADC

PM-NOLMによる光ADC

SOAゲート回路による光ADC

・⾃⼰周波数シフト発⽣に数Wのパルスピークパワーが必要・分解能を向上するため，光スペクトルの狭窄化が必要・⻑尺な光ファイバが必要（1 km HNLF + 1 km DIF + 90 m DCF）

・特殊で⻑尺な光ファイバ（500 m PM-HNLF）が必要・複雑なNOLM回路がビット数分だけ必要・短パルスの相互間⼲渉スイッチなので制御が困難

・SOAが複数必要で回路が複雑・多段接続構成のため，信号雑⾳が⼤きい・原理的に⾼速化, 多レベル化が困難

36

半導体光増幅器の周波数チャープ


OpticalsignalamplifiedbyaSOA

Temporalfrequencychirpproperty

Redchirp

Bluechirp

GainchangegivesrisetorefractiveindexchangeinSOAsFrequencychirpoccursatleading/trailingedgesofsignals

ChirppeakfrequencyofaSOAwhilechanginginputsignalpower

Bluechirp(Differentialofgainrecoverytime)

Redchirp(Magnitudeofgainchange)

M.Matsuuraetal.,Opt.Lett.,40,914-917(2015)

37

周波数チャープによる光量⼦化


CWprobe

Samplingpulsetrain

Time

Power

Wavelength

𝜆1𝜆2

QD-SOA

Samplingpulsetrain

CWprobe 𝜆2

𝜆1

- OpticalsamplingpulsetrainandCWprobeareinjectedintoaQD-SOA

Rectangular,low-passfilters

Timeλ

λ

λ

λ


38



CWprobe

Samplingpulsetrain

Time

Power

Wavelength

𝜆1𝜆2

CWprobe

Samplingpulsetrain

Time

Power

𝜆1𝜆2

Redchirp

QD-SOA


Time

- CWprobeexperiencesredchirp- Shiftfrequencyisdeterminedbyinputpulsepeakpower

Samplingpulsetrain

CWprobe 𝜆2

𝜆1

λ

λ

λ

λ


39



- Theshortsidewavelengthsaredeterminedbythethreshold

CWprobe

Samplingpulsetrain

Time

Power

𝜆1𝜆2

Redchirp

QD-SOA

Samplingpulsetrain

CWprobe 𝜆2

𝜆1

- Chirpcomponentspassthroughrectangularfilters

CWprobe

Samplingpulsetrain

Time

Power

Wavelength

𝜆1𝜆2


Timeλ

λ

λ

λ

CWprobe

Samplingpulsetrain

Time

Power

𝜆1𝜆2



40

光量⼦化の実証実験



PPG:Pulsepatterngenerator,SG:Signalgenerator,MLLD:Mode-lackedLD,PC:Polarizationcontroller,LNM:LiNbO3 modulator,EDFA:Erbium-dopedfiberamplifier,BPF:Bandpassfilter,ECL:External-cavityLD,ISO:Isolator,OSA:Opticalspectrumanalyzer,OSC:Samplingoscilloscope

10-GSample/ssamplingpulse

train

Pave:−17.4dBm

P:3.9dBm TunablerectangularfilterCWprobe

Threshold

Input

“0” “1” “0”

“1”

“1”

Threshold

Output

“0” “1” “0”

“1”

“1”

Threshold

Output

“0” “0” “0”“1”

“1”

Threshold

Output

“0” “0” “0”“0”

“1”

10GHzshift 23GHzshift 38GHzshift

41

アウトライン





将来展望


42

将来展望

・電気的ADCの発展もあるが, 抜本的な⾼速化には光化要・DSPの消費電⼒問題 ⇒ 光ADCが有効

・5GはD-RoFで始まるが, ポスト5GによるA-RoFの優位性・コア/メトロ光ネットワークとのインターフェース

デジタルコヒーレント伝送のさらなる⾼速化

A-RoFの需要拡⼤

光ADC技術の発展・より⼩型かつ低消費電⼒な光ADCの研究開発・ENOB, サンプリング速度の向上


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