大容量・多モード数のモード多重信号の増幅中継伝送技術を確立

　NICTは5月23日、NICTフォトニックネットワーク研究室を中心とした国際共同研究グループが、15モード光ファイバで初の増幅中継による、273.6Tbps、1,000km超の伝送実験に成功したと発表した。
　NICTは「これにより、陸上通信インフラにおける活用の道が大きく広がった」としている。

　マルチモード光ファイバ伝送は波長多重技術との組合せにより大容量を実現できるが、長距離の伝送は困難だった。同研究でNICTは、C帯（商用の波長帯域）全域に対応する15並列の増幅中継システムを含む周回伝送実験系を構築し、さらに、増幅中継の際に光信号ごとにモードの乗換えを行う方式を15モード用に発展させることにより、伝送後の各光信号の経路間の時間差を抑制し、1,001kmの伝送距離を実現した。また、同実験の増幅中継伝送システムは、より長距離に適した結合型マルチコア光ファイバにも適用可能であり、今後も更なる大容量化・長距離化の実現が期待される。
　同実験結果の論文は、OFC2023にて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。

背景

　増大し続ける通信量に対応するため、長距離光通信システムの大容量化に適したマルチコアや、将来的に更に大きな容量を達成し得るマルチモード光ファイバの研究が進められている。NICTは、15～55モード光ファイバを用いた大容量伝送や、実環境のテストベッドを用いた48.8kmの15モード光ファイバ伝送を実証している。これらは1区間の伝送だったが、より区間の長い陸上通信インフラで光ファイバを利用するためには、伝搬中の信号減衰を途中で補償するための増幅中継が必要だ。
　現状では、モード数の多い多重信号は、多重状態のまま増幅して中継することはできず、まず、モードごとの信号の分離と従来型の光増幅器による並列増幅を行った後に、再度、モード多重をして中継する増幅中継伝送システムが必要となる。加えて、大容量伝送のためには、広い波長帯域の利用と、波長チャネルごとの信号強度調整も必要となる。そして、増幅中継を行った場合でも、マルチモード光ファイバは、モードごとの光信号の伝搬時間が異なり、距離やモード数に応じてその差が蓄積するため、長距離の伝送は困難だった。
　結果として、これまでに報告されたモード多重増幅中継伝送のモード数は、他研究機関による10モード（伝送距離1,300km）が最大で、周波数帯域は約0.14テラヘルツまでであり、伝送容量は4.13Tbpsだった。

今回の成果

　NICTは、15モード増幅中継伝送システムと送受信システムを構築し、国際共同研究グループの製作した15モード光ファイバとモード合波器/分波器を利用して、合計273.6Tbps光信号の1,001 km伝送に成功した。15モード増幅中継伝送システム（図1）は、モード合波器/分波器と、従来型の光増幅器、波長チャネル制御装置、周回制御スイッチを用いた15個の周回伝送系から成る（詳細は後述の図3参照）。
　伝送ファイバで生じるモードごとの伝搬時間差の蓄積を抑制するため、モード多重伝送技術で研究されている方式の一つである拡張巡回モード群置換技術を15モード用に発展させ、中継点ごとにモードの乗換えを行った。遅延の少ないモードを経由してきた信号と多いモードを経由してきた信号を中継点で載せ替えることにより、受信端に到達したときのタイミングのずれ（図2の各シンボル）を従来伝送方式の場合（図2の破線）に比べて抑えた。
　今回の実験ではC波長帯における184波長の偏波多重16QAM信号を15モード多重し、1区間当たり58.9kmの15モード光ファイバを17回周回させた後に、高速な並列信号受信によって全モードの信号を一括で受信し、MIMOデジタル信号処理によってモード間の信号干渉除去に成功した。総伝送距離は、おおよそ東京-札幌間に相当する1,001 kmとなり、過去の15モード多重伝送と比較すると、伝送距離が20倍以上、伝送容量・距離積が10倍以上となった。

　今回開発した増幅中継伝送システムは、より長距離に適した結合型マルチコア光ファイバにも利用可能であり、また、並列数を増やしてコア数やモード数を拡大することや波長帯域を拡張することによって、一層の大容量化が期待できる。
　NICTは「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。本研究の増幅中継技術や、同時期に開発した結合型19コア光ファイバ等により、将来の大容量・長距離光通信インフラの実現へ向けた技術開発が大きく進展した」と説明している。

今後の展望

　NICTは「増幅中継システムの並列数をより増やし、コア数の大きい結合型マルチコア光ファイバやモード数の大きいマルチモード光ファイバでの中継伝送を可能としていく。また、マルチモード伝送実証にとどまらず、結合型光ファイバによる長距離化や、波長帯域の拡張による大容量化を実証し、実用化の可能性を探求していく」との展望を示している。

技術の詳細

15モード光ファイバ増幅中継伝送システム

　図３は、今回開発した増幅中継伝送システムの概略図を表している。
① C帯光源: 波長1,528～1,564.5 nmまで、184波長の広帯域光を生成する。
② 信号変調回路: 広帯域光に偏波多重16QAM変調を行う。
③ 送信信号生成回路: 信号を各モード用に分岐し、遅延差を付けて擬似的に異なる信号系列とする。
④ 周回制御スイッチ: 周回前の送信信号と、周回してきた光信号とを切り替える。
⑤ モード多重器: 各信号系列は内部で異なる空間モードに変換され、15モード光ファイバに入射する。
⑥ 15モード光ファイバ: 58.9km長の15モード光ファイバを伝搬する。
⑦ モード分離器: 受信側で空間モードごとに信号を分離し、単一モードに変換する。
⑧ 増幅中継部: 従来型の光増幅器を用いて、信号光を増幅する。波長チャネル間の信号強度ばらつきを、波長チャネル制御装置（プログラム可能なフィルタ）によって抑制する。モードの乗換えを行う。伝送光ファイバの入力側に帰還させることで周回伝送を行う。
⑨ 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し、オシロスコープで記録する。
⑩ 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。

今回の実験結果

　上記図３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。図４のグラフの赤シンボルは、伝送距離1,001kmでの各波長チャネルにおける誤り訂正適用後の全モード合計データレートを示し、C帯で約1.1～1.7Tbpsのデータレートが得られた。全波長合計の伝送容量は273.6Tbpsであった。