光通信インフラの新たな波長領域を開拓する技術を開発して達成

　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は11月30日、現在市中に敷設されているものと同じ、既存の光ファイバで世界最大の伝送容量となる301Tbpsの伝送実験に成功し、従来の世界記録を更新したと発表した。

　NICTは「今回の記録は、既存の光ファイバでは未使用であった新しい波長領域を開拓するために光増幅器と光強度調整器を新たに開発し、多数の波長を利用可能にすることで達成できた。今回開発した技術は、通信需要が高まる将来において、光通信インフラの通信容量拡大に大きく貢献することが期待される」と説明している。

　本成果の論文は、ECOC 2023(10月1日～5日：グラスゴー)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、5日に発表された。

　本研究に参加している研究グループは次のとおり。
NICTフォトニックネットワーク研究室: 伝送システムの開発
ベル研究所（Nokia Bell Labs、米国）、アストン大学（Aston University、英国）: E帯用の光強度調整器の開発
アモニクス（Amonics、香港）: E帯用のビスマス添加光ファイバ増幅器の開発

背景
　増大し続ける通信量に対応するために、光ファイバの使用可能な波長領域を拡大したマルチバンド波長多重技術の研究が進んでいる。新たな波長領域の利用は、既に配備されている既存の光ファイバを用いた伝送システムの寿命を延ばし、多額の設備投資をせずに通信容量を増やす方法として有用だ。また、研究が進んでいる新型光ファイバとマルチバンド波長多重技術を組み合わせることで、将来にわたって光ファイバ伝送システムの大容量化が可能となる。
　これまでNICTは、希土類添加光ファイバを使った増幅器とラマン増幅の増幅方式を駆使して、商用で利用されている波長帯（C帯、L帯）に加え、一般的に商用化されていないS帯も使用した光ファイバ伝送システムを構築し、大容量伝送を実証してきた。更なる大容量化を実現するためには、新たな波長領域の開拓が必要だが、これまでE帯を含んだマルチバンド波長多重光ファイバ伝送システムは実現されていなかった。

今回の成果

　NICTは、国際共同研究グループが製作したE帯向けビスマス添加ファイバ光増幅器・光強度調整器を利用して、既存の光ファイバで世界最大の波長領域を持つ光ファイバ伝送システムを開発した。伝送システムは、光ファイバ、複数の光増幅器（ビスマス添加光ファイバ増幅器、ツリウム添加光ファイバ増幅器、エルビウム添加光ファイバ増幅器、ラマン増幅）、送受信器、光強度調整器、合波器/分波器などから成る。

　今回は、E帯、S帯、C帯、L帯を合わせて世界最大の27.8テラヘルツの周波数帯域幅（212 nmの波長幅）、1,097の波長数（E帯: 315波、S帯: 315波、C帯: 200波、L帯: 267波）を用いて、301Tbpsの波長多重信号の51 km伝送を達成した（図1、表1参照）。信号の変調には、情報量が多い偏波多重QAM方式を使用し、64QAMをE帯、256QAMを S帯、C帯、L帯に使用した。過去の成果と比較して、伝送容量23%、周波数帯域幅41%の増加を達成した（表1参照）。

　Beyond 5Gでは、新しいサービスにより爆発的に通信量が増加することが予想される。現在使用されている光ファイバ伝送システムに、新たな波長領域を導入して伝送容量を増加させることで、既設システムの耐用年数の延長に貢献できる。さらに、新型光ファイバと組み合わせることで、将来にわたる通信需要の増大に対応可能な光ファイバ伝送システムの実現が期待できる。

今後の展望
　NICTは「今後は、光ファイバ伝送システムの更なる伝送能力の向上を目指し、波長領域の拡張をめざす。また、マルチバンド波長多重技術と新型光ファイバを駆使して、将来の通信需要を支える光通信インフラの基盤を確立していきたいと考えている」との方針を示している。

採択論文
国際会議: ECOC 2023 最優秀ホットトピック論文（Postdeadline Paper）
論文名: 301 Tb/s E, S, C+L-Band Transmission over 212 nm bandwidth with E-band Bismuth-Doped Fiber Amplifier and Gain Equalizer
著者名: Benjamin. J. Puttnam, Ruben. S. Luis, Yetian Huang, Ian Phillips, Dicky Chung, Nicolas K. Fontaine, G. Rademacher, Mikael Mazur, Lauren Dallachiesa, Haoshuo Chen, Wladek Forysiak, Ray Man, Roland Ryf, David T. Neilson, and Hideaki Furukawa

今回開発された伝送システム

　図2は、今回開発した伝送システムの概略図を表している。
① E、S、C、L帯の送信器において1,097波長の光信号を生成し、測定波長に偏波多重64QAMもしくは256QAM変調を行う。
② 光強度調整器を使ってE、S、C、L帯の光信号の強度を一定にし、光増幅器を使って光信号を増幅する。
③ E、S、C、L帯の光信号を合波器で多重化する。
④ 50 km長の光ファイバで伝搬させる。光信号の伝送損失をラマン増幅によって補償するため、結合器を用いて必要な励起光を光ファイバに入射する。
⑤ 伝搬後、E、S、C、L帯の光信号を分波器で分けて、光増幅器によって伝送損失を補償する。
⑥ E、S、C、L帯の受信器で受信し、伝送誤りを測定する。

実験結果
　上記図2の実験系において、送信および受信時に誤り訂正処理などの様々な符号化を適用することで、システムの伝送能力（データレート）を最大限効率化するための検証を行った。
　図3の実験結果のグラフは、誤り訂正を適用した後の波長ごとのデータレートを示す。ほとんどの波長で、波長当たり250Gbps以上のデータレートが得られており、1,097波長合計で301Tbpsを実現した。