プレスリリース

38コア・3モードの光ファイバ伝送で、容量と周波数利用効率の世界記録を達成
～データセンター等における短距離大容量伝送システムの可能性を示す～

2020年1月21日
国立研究開発法人情報通信研究機構
住友電気工業株式会社

住友電気工業株式会社（本社：大阪市中央区、社長：井上治、以下当社）と国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 徳田英幸）ネットワークシステム研究所、株式会社オプトクエスト（オプトクエスト、代表取締役：東伸）は、38コア・3モード*¹ファイバを用い毎秒10.66ペタビット*²伝送実験に成功し、周波数利用効率*³1158.7ビット/秒/Hzを達成しました。この結果は、容量と周波数利用効率共に、これまでの記録（容量:毎秒10.16ペタビット、周波数利用効率:1099.9ビット/秒/Hz) *⁴を超え、世界記録になります。
本実験では、38コア全てに3モードを収容し、伝送品質向上のためにモード間の光伝搬遅延を低く抑えた光ファイバを開発、各コアの特性に応じ256QAM*⁵又は64QAM*⁶変調を用い、大容量を実現しました。本実験システムを利用すると、1本の光ファイバで既存の光ファイバの100本分以上の容量を伝送することが可能となり、データセンター等における短距離大容量伝送システムの光ファイバ配線を大幅に減らすことが期待できます。本実験の結果は、第43回光ファイバ通信国際会議（OFC2020、3月8日（日）～12日（木））に採択されました。本成果については、同会議にて発表します。

NICTは、2008年に「光通信インフラの飛躍的な高度化に関する研究会」を立ち上げ、産学官連携でオールジャパン体制を構築し、先鋭的な研究開発に取り組んできました。世界的にも競争が激しい中で、日本の研究レベルは非常に高く、2017年に19コア・6モードファイバを用いた毎秒10.16ペタビットの世界記録が報告されています。更なる超大容量を実現するためには、光ファイバのコアを増やし、各コアに異なるモードの光信号を伝送するマルチコア・マルチモードファイバが必要です。しかし、コア数を増やすと光ファイバが曲げや引っ張りに弱くなり、モード数を増やすと受信側の処理負荷が高くなるなど、それぞれの技術的課題があり、コア数とモード数の最適化が研究されています。

今回、当社が開発した38コア・3モードファイバと、オプトクエストが開発したマルチモードビーム用コア多重器を用いて、NICTが大容量伝送システムを構築し、世界記録となる毎秒10.66ペタビット、13km伝送に成功しました（図1参照）。また、周波数利用効率においても世界記録となる1158.7ビット/秒/Hzを達成しました。

マルチモード伝送の場合、受信機側でモードを分離するデジタル信号処理が必要となります。モード間の伝搬遅延の差が大きいとデジタル信号処理の負荷が高くなるため、伝搬遅延差を小さくすることが重要です。本実験では、モード間伝搬遅延差を抑えるためにコアの内の屈折率の変化を微調整*⁷したマルチコアファイバを製作し、0.6~3ナノ秒の遅延差を実現しました。これにより、モード数に依存するデジタル信号処理が少なく、消費電力を抑えシンプルな伝送システム構築が可能となります。また、一部を除くほとんどのコアでモードに依存した損失がファイバ結合器を含め5～8.5デシベルという高い均一性を得ることができました。
一方、マルチコアファイバは、コアによって伝送特性が異なります。そこで、伝送効率の高い2種類の変調方式（256QAM、64QAM）の伝送信号の比較を行い、コアごとに、より多くの伝送容量を得られる変調方式を選択しました。その結果、コアごとに毎秒279～298テラビットの大容量伝送が可能となりました。

今回の成果とこれまでのNICTの代表的研究開発成果

図1 今回の成果とこれまでのNICTの代表的研究開発成果

本実験システムを利用すると、1本の光ファイバで既存の光ファイバの100本分以上の容量を伝送することが可能となり、データセンター等における短距離大容量伝送システムの光ファイバ配線を大幅に減らすことが期待できます。
なお、本実験の結果は、米国サンディエゴで開催される光ファイバ通信関係最大の国際会議の一つである第43回光ファイバ通信国際会議（OFC2020、3月8日（日）～12日（木））に採択されました。本成果について、同会議にて発表します。

早期の実用化システム実現に向けての取組と併せて、マルチコア・マルチモードファイバを用いた通信システムのポテンシャルを更に追求した究極の性能実現に向けて、先鋭的・革新的技術の研究開発を推進していきます。

採択論文

■国際会議: 第43回光ファイバ通信国際会議（OFC2020）　採択論文
■論文名: 10.66 Peta-Bit/s Transmission over a 38-Core-Three-Mode Fiber
■著者名: Georg Rademacher, Benjamin J. Puttnam, Ruben S. Luis, Jun Sakaguchi, Werner Klaus, Tobias A. Eriksson, Yoshinari Awaji, Tetsuya Hayashi, Takuji Nagashima, Tetsuya Nakanishi, Toshiki Taru, Taketoshi Takahata, Tetsuya Kobayashi, and Naoya Wada

過去の当社及びNICT共同の報道発表

2015年3月26日「光ファイバの限界突破に挑戦」
～世界最高コア数36すべてがマルチモード、100超空間チャネルを実現～
https://www.nict.go.jp/press/2015/03/26-1.html
2015年10月1日「光ファイバの最大伝送容量の世界記録を更新、2.15ペタビット毎秒を達成」
～高精度光コム光源の採用により、長距離化・大規模化への期待～
https://www.nict.go.jp/press/2015/10/01-1.html

用語解説

*1 モード伝搬
光ファイバのコアの中を光信号が伝搬する時は、コアとクラッドの境界で全反射を繰り返しながら、様々な振動状態で進行する。この振動状態の違いが、伝搬モードである。モードの異なる信号では、受信側に届くまでの時間差が生じるため、ファイバの最適化や受信機側での信号処理が必要である。

*2 ペタビット
1ペタビットは1000兆ビット、1テラビットは1兆ビット、1ギガビットは10億ビット。毎秒1ペタビットは、1秒間に8K放送の1,000万チャンネル相当である。

図2 256QAMイメージ図

*3 周波数利用効率
光伝送などの効率を表す指標の一つ。単位周波数あたりの伝送されるビットレート（ビット/秒/Hz）で表現される。

*4 これまでの記録（容量:毎秒10.16ペタビット、周波数利用効率: 1099.9ビット/秒/Hz）
2017年9月　株式会社KDDI総合研究所と住友電気工業株式会社の記録
https://www.kddi-research.jp/newsrelease/2017/092201.html

*5 256QAM(Quadrature Amplitude Modulation)
QAMとは、光の位相と振幅を併用し複数のビットを表現する方式（多値変調）の一種である。256QAMは1シンボルが取り得る位相空間上の点が256個で、1シンボルで8ビットの情報（28=256通り）が伝送でき、同じ時間でOOK（On-Off keying）の8倍の情報が伝送できる。

図3 GI型光ファイバイメージ図

*6 64QAM(Quadrature Amplitude Modulation)
QAMとは、光の位相と振幅を併用し複数のビットを表現する方式（多値変調）の一種である。64QAMは1シンボルが取り得る位相空間上の点が64個で、1シンボルで6ビットの情報（26=64通り）が伝送でき、同じ時間でOOK（On-Off keying）の6倍の情報が伝送できる。

*7 モード間伝搬遅延差を抑えるためにコア内の屈折率の変化を調整
コアの中心から外周に向けてなだらかに屈折率が変化する（放物型などが一般的）グレーディッドインデックス（GI）型と呼ばれるファイバ構造があり、このなだらかな曲線を微調整することで、モード間伝搬遅延差を制御することができる。

1. 今回実験した伝送システム

図4 光信号の多重化

図4は、今回の実験における光信号の多重化のイメージ図である。実験で用いた光増幅器の制約上、波長多重信号は二つの領域で分割されるが、合計で368波長の波長多重されたレーザ光に64QAM又は256QAMの変調を加える。この波長多重信号光から、38コア及び3モードの各空間チャネルに入射する。

図5 実験システム

図5は、今回の実験システムの略図である。多波長を一括で生成可能な光コム光源の出力を変調器に導入して、64QAM又は256QAMの変調信号を生成し、分岐及び遅延線を用いて38×3＝114本の低相関のコピーを作る。3本ずつの分岐が一組となり、モード多重器にて、基本モード（LP01）及び変換された高次モード（LP11a及びLP11b）の3つの横モードが一本に多重化される。これらの多重化された多モード光38本分を、コア多重器にて38コアファイバに結合する。伝送後に、コア分離器にて38本に分離された各コアの信号光をモード分離器及び光受信機にて検波し、測定を行う。

2. 実験結果