大規模アレイ導波路回折格子ルータを用いた T バンドデータセンタネットワーク
T-band datacenter network using large-scale arrayed waveguide grating routersである。

津田 裕之 ( Hiroyuki TSUDA, Ph. D.)
図１ 光通信で利用する波長帯。従来、長距離に C/L-band、慶應義塾大学 理工学部 電気情報工学科 教授(Professor, Keio University, Faculty of Science and Technology,Department of Electronics and Electrical Engineering)

短距離に O-band が利用されてきた。本研究では、新規に T-band を活用した。

電子情報通信学会、応用物理学会、レーザー学会、IEEE、Optica 他
受賞：電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ招待論文賞 (2020年)、IEICE ELEX Best Paper Award 賞 ( 2018 年) 他
研究専門分野：光エレクトロニクス、光通信

図１に光ファイバ通信に利用可能な波長帯を示す。
長距離光伝送システムでは、光ファイバの伝送損失が最小の 0.2 dB/km となり、エルビウム添加光ファイバあらまし増幅器が動作する、C-band（波長 1.530 ~ 1.565 m）

周 回 型 ア レ イ 導 波 路 回 折 格 子 （ AWG: Arrayedと隣接する L-band（波長 1.565 ~ 1.625 m）が利用

Waveguide Grating）*1 を用いて、波長ルーティングされている。また、短距離光伝送システムでは、標準によるフルメッシュネットワークを構成することがで光ファイバの波長分散がほぼ零となる O-band（波長きる[1]。本研究では、未使用の波長帯、T-band [2, 3]

1.260 ~ 1.360 m）が主に利用されてきた。T-band（波（波長 1.000 ~ 1.260 m）を利用する多段構成のアレ長 1.000 ~ 1.260 m）おいて、光ファイバの伝送損失

イ導波路回折格子ルータ（AWGR: AWG Router）を構は 0.5 ~ 1.2 dB/km、波長分散は-5 ~ -40 ps/nm/km で成した[4]。さらに、空間光スイッチと組み合わせるこあり、データセンタで想定される数 km の伝送距離でとで収容可能なユーザ数を増大させ、データセンタネは許容できる値である。T-band で良好な特性を持つ量ットワークへの適用を検討した。AWGR と空間光スイ子ドットレーザ[5]を光源として利用し、T-band を利ッチによる伝送評価系を構築し、T-band で動作する量用する光伝送システムを構築することが可能である。

子ドット波長可変レーザと量子ドット半導体光増幅器

例えば、100 GHz のチャネル間隔で 10 Gbit/s の伝送を利用し、FPGA 間で 10 Gbit/s 光信号のエラーフリを 行 え ば 、 IMDD (Intensity Modulation Directー伝送を実現した。

Detection)方式を利用して、6 Tbit/s 以上の伝送容量を得ることができる。また、標準単一モード光ファイ

１．研究の背景と目的

バのカットオフ波長は、1.2 m 程度であるので，多様なインタネットサービスに対応するため通信ト

T-band の短波長側では光ファイバ中の伝搬光がマルラフィックは増大を続けている。特に、サービスを支チモードとなり、モード分散が生じて信号が劣化する。

える大規模データセンタ内、あるいは、データセンタ

そのため、カットオフ波長を 1 m より短波長とする間にはその需要に応える大容量の光通信システムが必ことが必要である。

須である。従来、長距離光伝送システムの大容量化に本研究では、T-band で動作する石英光導波路を用いは、多値変調技術とコヒーレント伝送技術の活用によた AWG を多段に接続して大規模な AWG ルータを構る周波数利用効率の向上が行われてきた。一方、デー成した。また、AWGR と空間光スイッチを用いたデータセンタ用の短距離伝送システムの大容量化には、光タセンタ用ネットワークを提案し、伝送実験による動ファイバの広大な未使用波長帯を利用することも可能作デモンストレーションを行った。

1TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER

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T-band datacenter network using large-scale arrayed waveguide grating routers
として、サブバンドの波長幅を 15.6 nm、チャネル間隔を 0.2 nm とした。即ち、1081×1081 の大規模２．アレイ導波路回折格子ルータ（AWGR）の構成

AWGR が構成される。ピーク波長ずれを低減するために、周波数グリッドではなく、波長グリッドを利用している。また、AWGR を構成する AWG の設計値を表１に示す。約 40%の波長領域をガードバンドとしている。ガードバンドを減らして周波数利用効率を高めるためには、サブバンド用 AWG の透過帯域形状の改善が必要である。

図２(a) アレイ導波路回折格子（AWG: Arrayed WaveguideGrating）の構成。(b) 周回型 AWG の動作。

図２(a)に AWG の構成を示す。AWG は、入力導波路、スラブ導波路、アレイ導波路、出力導波路から構成される。入射光は、第１のスラブ導波路で広がり、図３ 多段構成の大規模回折格子ルータ（AWGR: AWGアレイ導波路に入射する。アレイ導波路中で隣接するRouter）。1×M サブバンド用 AWG と K×K 高分

導波路はL だけ長さが異なるので回折格子として動解能 AWG を多段接続し、KM×KM の大規模波作する。回折次数はL によって決まるが、回折次数長ルータが構成される。

を数十の値にして高分解能な分光特性を容易に得ることができる。アレイ導波路から出射された光は、スラブ導波路の持つレンズ機能によって、波長毎に異なる出力導波路に結合する。図２(b)に周回性を持たせた
AWG の動作を示す。入射波長あるいは入力導波路を
図４ AWGR における波長割り当て。M = 23, K = 47

変えるとそれに従って出力導波路が変化し、周回する。
この性質を利用すると各ユーザに異なる波長を割り当てることによって、送信側の波長を変えて接続先を選AWG を構成する石英光導波路は、T-band で単一モ択する N×N のフルメッシュネットワークが構成されードとなるように、導波路の比屈折率差を 1%、コアる。

径を 4.0 m とした。図５(a)及び 5(b)に 1×23 サブバ

AWG の入出力導波路数は、基板寸法、入出力ファンド用 AWG と 47×47 高分解能 AWG の透過特性を示

イバ本数、また、透過波長ピークの周波数グリッドかす。サブバンド用 AWG は、ピーク波長損失が 4~6 dB、らのずれによって制限され、64×64 程度が最大となる。

クロストークが-30 dB 以下、3-dB 透過帯域幅が 11.6収容可能なユーザ数を増やすため、図３に示すように、nm であった。透過帯域幅内に高分解能 AWG の 47 ch

1×M サブバンド用 AWG と K×K 高分解能 AWG を（9.4 nm）の全透過域を包含する。
高分解能 AWG は、多段接続し、KM×KM の大規模 AWGR を構成するこ

ピーク波長損失が 4~7 dB、クロストークが-30 dB 以ととした。図４に波長割り当てを示す。M = 23, K = 47

下、3-dB 透過帯域幅が 0.14 nm であった。10 Gbit/s

2TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER

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図６に AWGR システムの写真を示す。送信側の光強度変調信号がペナルティ無しで透過できる帯域幅で源として波長可変量子 ドット *2 レーザ（QD-WTL:ある。

Quantum Dot Wavelength Tunable Laser）を利用し、変調光の増 幅のた めに量 子 ドット半 導体光 増幅器（QD-SOA）を利用した。量子ドットレーザはリッジ構造で単一横モード発振する。標準的なリッジ幅は3.4 m、共振器長は 1.6 mm である。量子ドットの構造を変えることによって様々な波長の光源を構成することが可能である。量子ドットレーザは 95℃まで発振可能であり、連続通電で 25℃から 85℃の温度サイクル環境下で 1000 時間以上劣化のない信頼性を有している。また、波長可変とするために外部共振器構造とした。QD-SOA は、10～13 dB の利得、8～12 dB の雑音指数、80 nm 以上の利得帯域を有する。なお、本装置は、NICT 委託研究（T バンド、O バンドによる大波長空間利用技術の開発）において、パイオニア・マイクロ・テクノロジー（株）、光伸光学工業（株）、（株）オプトクエストとの共同開発した装置である[6-10]。図 7(a)及び 7(b)に、サブバンド#5、#17 の 10図５(a) 1×23 サブバンド用 AWG 、(b) 47×47 高Gbit/s 光信号を AWGR を介してルーティングした場

分解能 AWG の透過スペクトル合の符号誤り率を示す。この結果から、1 dB 以下のパワペナルティで、エラーフリー伝送が可能であることが示された。

図６ 12 台のサブバンド用 AWG（1 筐体に２台搭載）、6 台の高分解能 AWG（サブバンド#5, #11, #12, #14, #17, #18）、
QD-WTL（Quantum Dot Wavelength Tunable Laser）、Optical

図７(a) サブバンド#5, (b) サブバンド#17 の 10 Gbit/s

Amplifier）、LN 変調器により構成された AWGR システム

光信号を AWGR を介してルーティングした場合のQD-SOA （ QuantumDotSemiconductor

符号誤り率3TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER

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介して伝送した。符号誤り率測定結果を図 10(a)及び３．AWGR のデータセンタネットワークへの適用
データセンタ内のノード数は大規模なデータセンタ

10(b)に示す。1-3 dB 程度のペナルティが生じているでは数十万台に及ぶ。そのため、1000 波長を利用してが、エラーフリー伝送を確認している。ペナルティは、も全てのノードを接続することはできない。ネットワ

光パワ増幅における光雑音が主因であると考えられる。

ークのユーザ数の増大には、波長ルータと空間スイッ

なお、本実験は、University College London にて、チを利用し、多数の波長と空間（光ファイバ）を用いG. Zervas 教授と H. Yuan 博士と共同で行った。

ることが解決策である。

図９ 空間光スイッチと AWGR で構成するネットワークの伝送実験系

図８ データセンタを構成するラック内とラック間をAWGR と空間光スイッチで接続するネットワーク

図８に AWGR と空間光スイッチによる大規模ネットワーク構成を示す。各ラックは S 台の送受信器を有し、S×S AWGR でラック内のノードを結ぶネットワ

図１０ 空間光スイッチと AWGR で構成するネットワーークを構成し、1×N 空間スイッチによって他の N-1クの伝送特性台のラックに接続される。NS 台のノードが相互に接(a)波長 1180.2 nm、(b) 波長 1199.1 nm続される。図９に示すように、T-band の AWGR に空間光スイッチを接続して FPGA 間を結ぶネットワー

おわりにクを構成した。FPGA からの 10 Gbit/s 信号を LN 光

従来、光通信システムで未使用の T-band は、62 THz変調器に入力し、波長 1180.2 nm と波長 1199.1 nm のの広大な周波数帯域を有するので、短距離通信に限定光信号を生成し、空間光スイッチと T-band AWGR を4TELECOM FRONTIER No.114 2022 WINTER

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されるものの、強度変調・直接検波などの低コスト変area,” J. Lightwave Technol., vol.22, no.2, pp.

復調方式を用いて、大容量のネットワークを構成する

329–336, 2004.

ことが可能である。本研究では、T-band で動作する、[2] N. Yamamoto, K. Akahane, T. Umezawa, A.

QD-WTL、QD-SOA、AWGR と空間光スイッチによMatsumoto, and T. Kawanishi, “Monolithicallyるデータセンタ用ネットワークの一部を構築し、複数integrated quantum dot optical modulator withの FPGA 間でのエラーフリー伝送を示した。

semiconductor optical amplifier for thousand

従来利用されている石英光回路と LN 光変調器を実and original band optical communication,” Jpn.

験に利用したが、将来は、シリコン光回路をベースとJ. Appl. Phys., vol.55, no.4S, 04EC16, April

した光電融合回路で光送受信器が構成されると考えら

2016.
[3] N. Yamamoto and H. Sotobayashi, “All-bandれる。量子ドットレーザは高温動作可能であり、シリコン基板に集積して長寿命が期待できる。一方、シリphotonictransport

コンのバンドギャップが約 1.1 m であるので、technologies,” Proc. SPIE, vol.7235, OpticalT-band 内の波長 1.0~1.1 m での動作は難しい。また、

Metro

光ファイバのカットオフを短波長側にすると、長波長72350C, 2009.

Networkssystemandandits

Short-Haul

deviceSystems,側での曲げ損失が大きくなる課題もある。以上から、[4] N. A. Idris, K. Yoshizawa, Y. Tomomatsu, M.

短距離のネットワークにおいては、T-band の一部からSudo, T. Hajikano, R. Kubo, G. Zervas, and H.

L-band まで、即ち、波長 1.1~1.6 m をカバーする超Tsuda, “Full-mesh T- and O-band wavelength

広帯域通信システムが将来の姿となるだろうと考えらrouter based on arrayed waveguide gratings,”

れる。データセンタネットワークはこの超広帯域通信

Opt. Express, vol. 24, no. 1, pp. 672–686, 2016.

システムの第１の適用領域であり、次いで新規に構築[5] N. Yamamoto, H. Sotobayashi, K. Akahane, and

される B5G 用フロント／バックホールネットワーク

M.

が第２の適用領域であると思われる。

laser-diode

Tsuchiya,
with“Quantum-dota4-THz

Fabry-Perot

injection-seeding

bandwidth for 1-μm optical-waveband WDM
用語解説

systems,” in Proc. of ISLC 2008, Sorrento, Italy,*1

P20, 2008.

*2

AWG は、波長分割多重通信用に開発された光回路で、多数の波長信号の合分波に利用されている。

[6] 久保亮吾、吉沢勝美、友松泰則、須藤誠、初鹿野N 入力 N 出力の AWG は、波長を変えることで接圭、津田裕之、“T/O バンドを用いた 1000 チャネ

続先が切り替わる N×N のフルメッシュ接続波長ルル級波長ルーティング技術による大容量かつ多様ーティングネットワークを構成する。

な光ネットワークの実現に向けて” 電子情報通信

量子ドットは、数 nm から十数 nm の非常に小さ

学会論文誌 C vol. J102–C no. 12 pp. 320–331,

い粒子であり、電子や励起子などが閉じ込められる

2019.

構造であり、離散的なバンド構造を有する。本研究[7] R. Kubo, H. Tsuda, M. Sudo, T. Hajikano, Y.

では、GaAs 基板上の InGaAs 層に埋め込まれた

Tomomatsu, and K. Yoshizawa, “ExperimentalInAs 量子ドットを活性層とする外部共振器型波長

demonstration of 4K-UHD video transmission

可変レーザと SOA を作製した。

using T-band wavelength routing system forpassive optical local area networks,” Proc. 43rd

参考文献

European Conf. on Optical Communication[1] K. Noguchi, Y. Koike, H. Tanobe, K. Harada, M.

(ECOC), no.Th.2.B.4, Gothenburg, Sweden,

Matsuoka, “Field trial of full-mesh WDM
network(AWG-STAR)

inSept. 2017.

metropolitan/local[8] R. Kubo, T. Fujimoto, T. Shobudani, Y. Okuno, M.
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T-band datacenter network using large-scale arrayed waveguide grating routers
Suzuki, H. Tsuda, M. Sudo, T. Hajikano, Y.
Tomomatsu, and K. Yoshizawa, “T/O-band
wavelength routing system using quantum dot
semiconductor devices and 1081-channel AWG
router,”Proc.

OpticalNetworkingandCommunication Conf. & Exhibition (OFC),
Th3H.4, San Diego, CA, USA, 2018.
[9] R. Kubo, M. Matsunaga, T. Shobudani, T.
Fujimoto, H. Tsuda, M. Sudo, T. Hajikano, Y.
Tomomatsu, and K. Yoshizawa, “Demonstrationof 10-Gbit/s transmission over G.652 fiber forT-band

opticalaccesssystemsusing

quantum-dot semiconductor devices,” IEICEElectron. Express, vol.15, no.18, 20180810,2018.
[10] 津田裕之、“新しい光通信波長帯「T バンド」のための高機能光デバイス” フォトニクスニュース，
vol. 5, no. 2, pp.58-62, 2019.
この研究は、平成２９年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成３０年度～令和２年度に実施されたものです。

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