NTTは12月9日、外乱によって光ファイバケーブル内の信号伝搬環境が変動するフィールド環境下において、安定した最大455 Tbpsの信号伝送の実証に世界で初めて成功したと発表した。

　実証実験では、量産化に適した既存光ファイバと同等の細さを有する12コアファイバを商用の高密度多心ケーブルに実装・接続した陸上フィールド環境において、大規模MIMO信号処理技術を適用することで、53.5kmの伝送距離で455Tbpsの大容量伝送を実証した。さらに日本の基幹光ネットワークの大動脈である東名阪区間をカバー可能な1,017kmの伝送距離において大容量389 Tbpsの中継増幅伝送に成功した（図1）。本成果は、従来の50倍以上の伝送容量を持つ将来の陸上光伝送システムを実現する基盤技術として期待される。
　今回の成果は、ECOC 2024(フランクフルト：9月）の最難関発表セッションであるポストデッドライン論文として採択・発表された。なお本成果は、住友電工と千葉工大と共に実施したNICTからの委託研究（JPJ012368C01001）で得られた成果を一部含んでいる。

背景

　大容量モバイルネットワークの普及や発展し続けるAI技術を支えるデータセンタ間の通信増に伴い、世界を行き交うデータの量は指数関数的に増加しつづけている。この傾向は今後も続くと予想され、需要を支えるために陸上基幹光ネットワークは継続的な大容量化への対応が必要となる。

　現在のネットワークでは、光通信の商用導入以来40年以上、1本のファイバにコアを1本持つ構造の光ファイバが用いられている。これに対し、ファイバあたりのコアの数を増やし、光信号を並列に送信することで空間チャネル数を増やすマルチコアファイバなどによる空間分割多重光伝送の研究開発が進展しており、伝送容量の拡大を可能とする将来の大容量基幹光ネットワークの基盤技術として期待されている。

　既存システムとの親和性と量産性の観点から既存光ファイバと同じ細さ（0.125mm）を保ったまま、空間チャネル数を10以上に拡張するためには、隣接するコア間の光信号を意図的に混信させる結合型マルチコアファイバが有望視されている。結合型マルチコアファイバでは、信号を受信した後の受信機においてデジタル信号処理と組み合わせることにより結合を解くことができるため大容量光伝送が実現可能だ。同様の高い空間チャネル数が実現可能なマルチモードファイバと比較して、光信号の伝搬状態の設計の自由度が高く、特に伝搬遅延ばらつきを低減可能な特長がある。これにより、風雨などの外乱による実環境の変動に追従するためのデジタル信号処理の計算量を小さくすることができ、消費電力やコストを削減した光伝送を実現することが期待できる。
　これまでの結合型マルチコアファイバの研究では、主に実験室環境に置かれたファイバ素線を用いて、大洋横断級長距離伝送の実現可能性などが検証されてきた。一方、同ファイバを用いた陸上伝送システムの実用化へ向けては、時々刻々と光ファイバケーブル内の信号伝搬環境が変動するフィールド環境における安定的な大容量伝送の検証が重要だ。

　本成果では、12個のコア間で信号の結合が発生する12結合コアファイバを、伝搬遅延ばらつきを大幅に低減しながらケーブル化し、陸上フィールド環境を模擬したとう道・架空区間へ敷設した。敷設環境における保守作業や風雨などの外乱に追従可能な精密な大規模MIMO信号処理技術との融合により、世界初の12コアファイバ フィールド光増幅中継伝送実験に成功し、安定的な大容量伝送の実現可能性を世界に先駆けて示した（図2）。

技術のポイント

マルチコアファイバフィールド検証環境
　本成果では、NTT横須賀R&Dセンタ敷地内に全長4.86kmの12結合コアファイバケーブルを敷設し、大規模な伝送実験が可能なフィールド検証環境を整備した（図3,左）。
ケーブルの大部分は地下のとう道に敷設されているほか、0.2kmほどは地上の電柱間にケーブルを架けた空中配線区間となっており、実際の陸上フィールド敷設環境を模擬している。敷設に当たっては、商用システムと同様の構成の200心ケーブルの一部に12結合コアファイバを実装した。
　この実装においては、コア間の結合状態を考慮したファイバとケーブルの設計により、世界最小級の伝搬遅延ばらつきとケーブル化後の曲げ特性を含めた低い伝送損失を両立しており、長距離光伝送に適した波長帯（C帯）全域を含む広い光帯域を用いた大容量波長分割多重伝送がサポート可能だ。

結合型マルチコアファイバ間低損失接続技術
　商用システムの陸上ネットワークは中継地点間に多数の融着点・あるいはコネクタ接続点を含む。
　今回、新たに開発された高精度な結合型マルチコア融着機能を実現する住友電工によるファイバ融着技術と、安定な低損失接続を実現する千葉工大によるコネクタ技術（図3,右）をフィールド検証環境内のマルチコアファイバ間直接接続に適用した。どちらも接続点あたりの光損失が従来のシングルモードファイバ同士の接続と同水準の低損失での接続を実現している。また空間チャネル間の損失ばらつきも少なく、安定的な伝送に寄与している。
　本実験では、ケーブル内の11本のファイバを折り返し接続することによって、一周53.5kmのフィールド環境周回伝送評価系を構成した。

超大容量MIMO送受信技術
　受信機におけるデジタル信号処理として、ダイナミックに変動する光の結合状態や光送受信機内部の理想からのずれを超高精度に補償するMIMO信号処理技術を適用し、最大1,000km以上の伝送後の歪んだ受信信号から送信信号を復調している。
　高速かつ周波数を効率的に使用可能な信号のフォーマットとして、シンボルレート140ギガボーの偏波多重PCS-36QAM信号を採用した。NTTが研究してきた回路技術とデジタル信号処理技術を組み合わせることで、一波長チャネルあたり最大15.0Tbpsの大容量チャネル構成を実現した。
　本伝送実験では、12コア多重と同時に、C帯全域の4.65THz帯域にわたって、31波長チャネルの波長分割多重を組み合わせることで大容量化を達成している。

大容量フィールド伝送成果の概要

　本実験では、はじめにフィールド検証環境の信号品質を特徴づけるパラメータである伝搬遅延ばらつきと光損失ばらつきを1時間にわたって評価し安定した値を示すことを確認した（図4）。これは、フィールド環境における安定的な空間・波長分割多重伝送の実現可能性を支持する結果だ。

　次に、各波長チャネル信号の伝送後の信号品質評価を実施した（図5）。その結果、伝送距離53.5kmにおいて、各波長信号がそれぞれ14 Tbps以上の伝送容量を持ち、総伝送容量は455 Tbpsに達することを確認した。
　これは、これまで陸上フィールド環境で実施された空間分割多重伝送実験で最大のものであり、現行陸上システムの50倍以上の伝送容量に相当する。

　さらに、伝送距離1,017kmにおいても、それぞれ12 Tbps容量以上の波長信号により総伝送容量389 Tbpsの容量を達成した。
　この距離は日本の基幹光ネットワークの大動脈である東名阪区間をカバー可能な距離であり、将来的には、10以上コアを持つ結合型マルチコアファイバによる陸上フィールド環境の大容量長距離 光増幅中継伝送システムの実現に寄与することが期待される。

今後の展開

　NTTは「今後、関連技術分野と連携し本技術の研究開発をさらに進めることで、2030年代のIOWN構想・Beyond 5G/6G時代の大容量光伝送基盤の実現に貢献する、大容量陸上ネットワークの実用化をめざす」としている。