Beyond 5G後の長距離光通信のキーテクノロジー

　情報通信研究機構（以下、NICT）、住友電気工業（以下、住友電工）は3月15日、標準外径（0.125 mm）のマルチコア光ファイバでは世界最多コア数の結合型19コア光ファイバを開発し、1.7ペタbps、63.5 km伝送実験に成功したと発表した。

　同実験の結果は、標準外径マルチコア光ファイバの伝送容量世界記録に加え、毎秒1ペタビット級の伝送実験の最長距離も更新した。また、同成果は、マルチモード光ファイバ伝送方式に比べ、大洋横断等の10,000 km級伝送では、必要となるMIMOデジタル信号処理の負荷（消費電力）を大幅に低減できる可能性を示し、Beyond 5G後の長距離光通信網の大容量化へ向けた道を拓くキーテクノロジーとして期待される。

　同実験結果の論文は、OFC 2023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3月9日に発表された。

採択論文
国際会議: OFC 2023 最優秀ホットトピック論文（Postdeadline Paper）
論文名: Randomly Coupled 19-Core Multi-Core Fiber with Standard Cladding Diameter
著者名: Georg Rademacher, Menno van den Hout, Ruben S. Luís, Benjamin J. Puttnam, Giammarco Di Sciullo, Tetsuya Hayashi, Ayumi Inoue, Takuji Nagashima, Simon Gross, Andrew Ross-Adams, Michael J. Withford, Jun Sakaguchi, Cristian Antonelli, Chigo Okonkwo, Hideaki Furukawa

背景

　増大し続ける通信量に対応するための新型光ファイバ研究が進み、NICTは標準外径光ファイバ伝送実験において、非結合型マルチコア光ファイバを用いて1.02ペタbps、マルチモード光ファイバを用いて1.53ペタbps、結合型マルチコア光ファイバを用いて0.17ペタbpsの伝送容量を達成している（表1）。
　しかし、非結合型マルチコア光ファイバでは、コア間の信号干渉抑制のためコア数が制限され、更なる大容量化が困難だ。また、マルチモード光ファイバ伝送では、モードごとの伝搬特性の差が大きいため、長距離化に向けては課題を抱えていた。結合型マルチコア光ファイバは、MIMOデジタル信号処理による干渉除去を前提に上記の制限を打破する光ファイバであり、次世代の長距離大容量伝送技術として研究開発が行われているが、高精度なコア配置が必要なことから、標準外径の結合型マルチコアファイバのコア数は最大でも12コアだった。

今回の成果

　今回、住友電工が標準外径の結合型19コアファイバの設計・製造を、NICTが同ファイバの性能を最大限に引き出す伝送システムの構築を担当し、1.7ペタbps、63.5 km伝送に成功した。この結合型19コアファイバは、コアの構造と配置の最適化により、標準外径で世界最多コア数を実現しつつ、光信号の経路ごとの伝搬特性の差を抑制するためのランダムな結合を実現した。

　結合型マルチコアファイバでは、信号干渉のためにコアごとの伝送性能の評価が不可能で、全コアの信号を同時に受信し一括でMIMO処理による復調、評価する必要がある。NICTは、19コアの信号を同時に並列高速受信する光伝送システムを構築し、商用の波長帯域（C、L帯）と偏波多重64QAM信号を用いて、伝送距離63.5kmにおいて合計1.7ペタbpsの伝送容量を実証した。また、光信号の経路ごとの伝搬時間の差が小さく、信号処理負荷（消費電力）の大幅な軽減が可能となった。

　Beyond 5G以降の社会では、あらゆる人があらゆる場所で活躍できるように、大容量の通信インフラに支えられたサイバーフィジカルシステムを実現していくことが望まれる。一方で、環境への負荷を抑えるため、情報通信に伴う電力消費の増加は最低限にとどめる必要がある。同研究で開発された結合型19コア光ファイバは、このような社会要請を見据え、実用化に向けて研究開発が進んでいる非結合型4コアファイバの次の世代を担う長距離用伝送媒体として最も有望な候補の一つとして位置付けられる。

今後の展望

　NICTと住友電工は「今後、より長距離での伝送評価を行っていくとともに、波長帯域の拡張による大容量化や結合型19コア光ファイバに対応したデバイスの開発、スイッチング等の要素技術の検討を進め、実用化の可能性を探求していく」との方針を示している。

補足資料

1. 光ファイバ伝送評価システム

① 多波長光源: 光コム光源を使用し、381波の異なる波長を持つレーザ光を一括して生成する。
② 信号変調回路: 多波長光に偏波多重64QAM変調を行う。
③ 送信信号生成回路: 信号を各コア用に分岐し、遅延差を付けて擬似的に異なる信号系列とする。
④ マルチコア多重器: 導波路型の多重器を通じ、各信号系列は19コア光ファイバの各コアに入射する。
⑤ 19コア光ファイバ: 63.5 km長の19コア光ファイバを伝搬する。伝搬に伴い各コアの信号が強く干渉する。
⑥ マルチコア分離器: 受信側でコアごとに信号を分離する。
⑦ 高速・並列受信回路: 各コアの信号を波長分離し、コヒーレント受信器で電気信号に変換する。
⑧ オフライン信号処理: MIMO処理により、ファイバ伝搬中の信号干渉を除去する。

2. 今回の実験結果

　上記図2の実験系において、送受信時に誤り訂正処理などの様々な符号化を適用し、波長チャネルごとにデータレートの最大化を行った。下記図3のグラフの青点は、各波長チャネルにおける誤り訂正適用後の全コア合計データレートを示し、C帯で約5テラbps、L帯で2.5〜5テラbps程度のデータレートが得られた。全波長合計の伝送容量は1.7ペタbps。