光通信システムの広帯域化と低コスト化に活用

　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7月24日、基準光配信と光コム技術を組み合わせて、最新の商用光通信装置200台分の伝送容量に相当する336Tbpsの光通信を実証したと発表した。従来の方式であれば200個の光源が必要だが、今回の実証では光源一つで達成した。

　国際共同研究グループは「本研究で当グループは、光通信の周波数規格に準拠し、S、C、L波長帯のほぼ全域でコヒーレント光通信を可能とする高品質光コムの生成に世界で初めて成功した。これをネットワーク上での基準光配信技術と組み合わせ、送受信ノード間で自動的に周波数が同期する650波長のコヒーレント光通信チャネルを構築した。これらの通信チャネルで多値変調と空間多重を行い、大容量伝送を実現した。

　同成果は、S帯通信用光源モジュールの商用化開発・実装を代替し得るもので、商用の波長多重通信の広帯域化を加速し、波長ごとに異なる数百個の通信用光源を用意する必要がなくなるので光通信システムの低コスト化が期待できる。加えて、マルチコアファイバなどの空間多重を更に活用すると、1本の光ファイバ回線当たり数千台分の通信装置からの光源削減が可能と見込まれ、より一層の低コスト化が期待される。
　同実験結果の論文は、OFC 2024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28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、波長ごとに異なるデータを載せる波長多重や、光経路数の多い新型の光ファイバを用いる空間多重などの光通信技術が開発されている。NICTでは、商用の波長帯（C帯、L帯）とそれ以外の波長帯（O帯、E帯、S帯、U帯）を同時に活用する、合計周波数帯域37テラヘルツのマルチバンド波長多重通信をこれまでに実証した。しかし、従来方式でこれを実用化するには多数の光源を送受信側にそれぞれ用意する必要があり、実験用の光源を用いると既存の設備に収まらない。実際の長距離通信システムで必要とされる、通信規格に準拠し小型にパッケージ化された光源はC、L帯用に限られ、S帯などの光源の商用化が必要だった。

今回の成果

　今回、国際共同研究グループはS、C、L波長帯のほぼ全域（16テラヘルツの周波数帯域）で、光通信の25ギガヘルツ周波数規格に準拠し、コヒーレント光通信に利用可能な高品質光コムを生成することに世界で初めて成功した。この光コム技術を、高精度な時刻同期や観測等の目的で研究されている基準光配信技術と組み合わせ、650波長のコヒーレント光通信システムを構築した（上記図1）。
　送受信ノード間の650波長のコヒーレント光通信チャネルは、基準光配信と光コム技術によって自動的に周波数が同期するようになっているため、個別の光源モジュールの発振周波数の制御が不要となる（下記図2）。実験では、3モード型マルチコアファイバの1コアのみを用いて構築した通信チャネルで、偏波多重16QAM方式の信号変調とモード多重を行い、最新の商用光通信装置200台分（1.6Tbps×200=320 Tbps）に相当する、336 Tbps（200Gbps×650×3×誤り訂正効率（平均86%程度）=336Tbps）の伝送容量を達成した。同じ伝送容量を実現するように従来の方式でコヒーレント光通信システムを設計した場合、O、E、S、C、L、U波長帯（40テラヘルツの周波数帯域）において200台分の個別の光源が必要であり、O、E、S、U帯用光源の商用化も必要だったが、今回の実証では個別の光源を用いず、一つだけの光源と光コムを用いて達成できた。

今後の展望
　国際共同研究グループは「本技術は、S帯における通信用光源モジュールの商用化開発・実装を代替し得るもので、マルチバンド波長多重通信の商用化を加速すると期待される。また、本実験は39コアファイバの1コアのみを通信に用いて実施したもので、ファイバの全コアを活用した場合は12Pbps程度（336Tbps×38=毎秒12.7Pbps。商用光通信装置7,500台分相当）の伝送容量が得られる見込みだ。すなわち、本技術によって7,500台分の通信装置から通信用光源を削減することが可能と見込まれ、光通信システムのより一層の低コスト化が期待される」と説明している。

基準光配信と光コムを活用した、マルチバンド波長多重・モード多重光伝送システム

　図3は、今回開発した光伝送システムの概略図を表している。
① 波長1,558.98ナノメートルの基準光を生成し、送信側光コムと39コアファイバのシングルモードコアに入力する。
② 送信側の光コムでS、C、L波長帯にわたる650波長の25ギガヘルツ間隔コヒーレント光を生成する。
③ 光コムの出力光から、測定する波長の成分とその他の波長成分とを波長分離する。
④ 波長分離されたコヒーレント光に偏波多重16QAM変調を行う。
⑤ 変調後に再び波長多重された信号を3経路に分岐し、遅延差を与えて互いに異なる信号系列とする。それらをモード多重器により3モード信号に変換し、39コアファイバの3モードコアに入力する。
⑥ 光信号と基準光が39コアファイバを13キロメートル伝搬する。
⑦ 伝搬後の3モード信号を、モード分離器で3本の従来型光ファイバ出力に変換する。
⑧ 39コアファイバ伝搬後の基準光から、受信側の光コムでS、C、L波長帯にわたる650波長の光を生成する。
⑨ 波長多重された3モード分の受信信号と、受信側光コムの出力光を波長分離する。後者を局部発振光として、3モード同時のコヒーレント受信を行う。
⑩ 電気信号に変換され、保存された受信データにオフラインでMIMO信号処理を行い、送信信号を復調し、信号品質を評価してデータレートを求める。

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、波長ごとにデータレートの最大化を行った。図4のグラフの各シンボルは各波長チャネルにおける誤り訂正適用後の3モード合計のデータレートを示し、全てのデータレートを合計すると、336Tbpsだった。