データセンタ内ネットワーク等の大容量化に向けた革新的技術

　NICTネットワーク研究所のボリブーン・ブッサラ研究員とソアレス・ルイス・ルーベン主任研究員らのグループは10月31日、短距離光通信の大容量化のため、簡易な装置構成の光コヒーレント伝送方式を開発し、高速光信号伝送に成功したと発表した。

　急激な通信量の増加に対応するため、近年はデータセンタ内ネットワーク等の短距離光通信においても基幹系光通信で実用化されている光コヒーレント伝送方式による大容量化が期待されている。
　NICTは今回、短距離光通信に光コヒーレント伝送方式を適用するため、簡易な装置構成により信号再生可能な自己ホモダイン検波方式を採用。NICTの独自技術により本方式の光送受信器を高度化し、360Gbps（シンボルレート 90ギガBaud）の16QAM信号の高速光コヒーレント伝送に成功したという。
　同成果は、次世代基幹系光通信で研究中のシンボルレートが高い光コヒーレント伝送方式が、簡易な送受信器構成で安価に導入できる可能性を示しており、将来のデータセンタ内ネットワーク等に要求されるテラビット級の大容量短距離光通信に向けた革新的技術になることが期待される。
　なお、今回の実験結果の論文は、ECOC 2022で非常に高い評価を得て、最優秀ホットトピック論文（Postdeadline Paper）として採択され、現地時間2022年9月22日（木）に発表された。

国際会議: ECOC 2022 最優秀ホットトピック論文（Postdeadline Paper）
論文名: Polarization Insensitive Self-Homodyne Detection Receiver for 360 Gb/s Data Center Links
著者名: Budsara Boriboon, Ruben S. Luís, Georg Rademacher, Benjamin J. Puttnam, Satoshi Shinada, and Hideaki Furukawa

背景

　近年の急激な通信量の増加により、低コスト化や低消費電力化が要求される短距離光通信においても400Gbpsを超える通信速度が要求されてきている。現在の短距離光通信では強度変調・直接検波方式が採用されているが、更なる大容量化には、光コヒーレント伝送方式が有効だ。しかし、光送受信器の複雑さやデジタル信号処理の負荷等によるコスト面や消費電力に課題があり、短距離光通信では実用化されていない。
　NICTはこれまで、簡易な装置構成により光コヒーレント伝送を実現できる自己ホモダイン検波方式の光送受信器の高度化の研究を進めており、独自技術を特許登録していたが、原理検証に留まっていた。

　今回NICTは、短距離光通信に光コヒーレント伝送方式を適用するため、簡易な装置構成によりコヒーレント信号を再生可能な自己ホモダイン検波方式の光送受信器を開発し、高速伝送実験を行った（図1）。
　光送信器は、短距離光通信で一般的な（線幅が太い）レーザと100ギガBaud以上で動作する高速光変調器を用いた。光受信器は、NICT独自の高速光検出器の機能的な組合せとデジタル信号処理を持ち、高度化（高速化と偏波無依存化）を実現している（図2）。

　伝送実験では、光送信器からコヒーレント信号（360Gbps（90G Baud）16QAM）とパイロットキャリアを同時に送信し、光受信器においてホモダイン検波することにより、高速光コヒーレント伝送を実証した。
　従来の自己ホモダイン検波方式の光受信器では、時間的に変化するパイロットキャリアの入射偏波状態により、受信信号品質が変化することが問題だったが、開発した偏波無依存型の光受信器では、安定した信号再生に成功した。また、実用化されている検波方式は高精度な狭線幅レーザが必要だが、同実験では一般的なレーザでも受信信号品質が大きく変わらないことも確認したという。

　NICTは「本実験により、簡易な光送受信器構成（光送信器の高精度レーザと光受信器の信号再生用レーザが不要）によるシンボルレートが高い（毎秒100G Baud級）高速光コヒーレント伝送を実証した。本成果は、将来のデータセンタ内ネットワーク等の超大容量短距離光通信に向けた革新的技術になることが期待される」と説明している。

実験の概要

今回開発された偏波無依存型自己ホモダイン検波器
　今回開発された偏波多重パイロットキャリアを生成する光送信器と、偏波無依存型自己ホモダイン検波方式の光受信器の構成を図3に示す。

送信器: レーザ出力は2つに分けられ、一方は変調器を通して、360Gbps（96G Baud）の16QAM信号が生成される。もう一方は、そのまま無変調のパイロットキャリアとして用いられ、偏波合波器を通して、16QAM信号と偏波多重され、送信される。

受信器: 偏波分波器を通して、16QAM信号とパイロットキャリアはそれぞれ混ざった状態で2つに分けられるが、3台の光検出器と1台のバランス光検出器からの出力信号をデジタル信号処理解析することにより、16QAM信号の復調が可能だ。

　自己ホモダイン検波方式は、受信器に入る信号光及びパイロットキャリアの偏波状態が時間的に変化するため、理想的な分離が困難であり、これが受信信号品質に影響を及ぼすことが問題となる。今回の研究では、上述の構成により、入射偏波状態に依存しない検波方式を実証した。さらに、広帯域な変調器及び光検出器を用いることにより、360Gbps（96G Baud）の高速16QAM信号の伝送に成功している。

今回の実験結果
　上記の図3の構成で、2種類の送信器（レーザ線幅100 kHz、30 MHz）を用意し、それぞれ360Gbps・16QAM信号とパイロットキャリアを送信し、伝送後の受信信号の品質を測定した。図4のグラフは、伝送距離による受信信号品質の変化を示している。データセンタ内ネットワークは一般的に10km未満であるが、両送信器とも142 km伝送しても復調可能な品質2.5dB以上で、高速光コヒーレント伝送に成功した。

　NICTは「本実験では、従来の光コヒーレント伝送には向かない線幅が30MHzの一般的なレーザを用いた場合でも、100kHzの狭線幅レーザを用いた場合と受信信号品質に大きな違いが生じないことも示している。本自己ホモダイン検波方式を用いると、光送信器の狭線幅レーザと光受信器の信号再生用レーザが不要となり、簡易な構成で高速光コヒーレント伝送を実現できる」と説明している。