特集 革新的技術でネットワークの限界突破に取り組む

未来ねっと研究所

4 大容量光伝送技術

光パラメトリック増幅中継技術で大容量光ファイバ伝送の新たな道を開拓−一つの光増幅器で従来の 2 倍以上に伝送容量拡大へ−
NTT 未来ねっと研究所（未来研）では、先端集積デバイス研究所（先デ研）と連携して、光ファイバ伝送路における信号対雑音比の劣化を最小限に抑え、1 Tbps 級光信号の長距離伝送を目指す光パラメトリック増幅中継技術を研究開発している。本技術は、従来の光ファイバ増幅器を上回る広帯域な性能を有する。本報告では、この光パラメトリック増幅技術の紹介を行う。

年率約 30% で増大するトラフィック成長への対応—既設光ファイバによる大容量化に向けて
近年、デジタルコヒーレント光通信技術は飛躍的な進歩を遂げ、光多値信号の高度化により、周波数利用効率を向上させることで光通信シス

NTT 未来ねっと研究所（未来研）
イノベイティブフォトニックネットワークセンタ（IPC）
フォトニックトランスポートネットワーク研究部（PT 部）
NTT 先端集積デバイス研究所（先デ研）

テムの大容量化が進展してきた。デ（左より）未来研 IPC/PT 部 特別研究員

小林 孝行氏

先デ研 / 未来研 IPC 特別研究員 梅木 毅伺氏

ジタルコヒーレント技術の成熟によ

先デ研 / 未来研 IPC 研究員 風間 拓志氏

り、信号多値度の向上が飽和しつつ

未来研 PT 部 社員 清水 新平氏ある現在、高い周波数利用効率を得るためには、光ファイバを伝送した光学効果に起因した信号歪みによりデジタルコヒーレント技術の高度化後に高い信号対雑音比（SNR: Signal

SNR の限界が指摘され始めている。

による周波数利用効率の向上は、物to Noise Ratio）が必須の条件となるこれらの物理限界を打破する新たな理的な限界に近付きつつある。近年が、光増幅器からの雑音の累積と伝技術の必要性が急速に高まっている。

では、ペタビット級の伝送容量実現

送ファイバ自体の中で生じる非線形本研究では、NTT 先端集積デバのために、新たな構造の光ファイバ

容量 =(SE)*(BW)*(SDM)

イス研究所（先デ研）と NTT 未来の利用も考慮した空間多重方式を用ねっと研究所（未来研）が連携していた研究開発が進められている。一取り組んだ成果について報告する。

方で、既存の敷設されている光ファ空間多重(SDM)数
帯域幅(BW)
図１42

周波数利用効率(SE)

伝送容量拡大の方法

イバで大容量化をはかるために、光—広帯域光増幅技術の必要性

増幅帯域の拡張が検討されている

光ファイバ伝送システムの伝送容（図２）。従来システムでは、光増幅量を拡大するためには、周波数利用中継器として、EDFA という光ファ効率（SE：Spectrum efficiency）、光イバ型の増幅器が用いられており、帯域幅（BW：Band width）、空間多約 4 THz の光増幅帯域で、1 波長重（SDM：Space division multiplex）

400 Gbps の波長多重伝送システムの ３ つ の 軸 が 重 要 で あ る（ 図 1）。

が構成されている。また、大容量化

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ファイバーあたり容量(Tb/s)

マルチコア・マルチモードファイバ
WidebandMultilevel1000

空間多重

100

今回の技術領域
光増幅帯域の拡張

10

周波数利用効率改善

2020
図２空間多重システム

波長多重システム

2030

2025

は、PPLN 導波路のほかに、高非線が可能である。本成果

形光ファイバを用いたものがある

は、光通信関連の国際が、広帯域化と高利得化の両立が原会議である OFC2020

理的に困難であり、光増幅中継器との PD（Post deadline）しては、適用範囲が限られていた。

セッションの伝送部門

本研究では、高効率な PPLN 導波に採択された。

路を用いるため、広帯域化と高利得化が両立可能になり、光パラメト今後の伝送容量拡大技術とともに、1 波長当たりの信号高速広帯域な光増幅の実現—光パラメトリック増リック増幅技術の光増幅中継器としての有効性を示すことができた。超幅技術とは？

化も進展しており、将来的な 1 波

PPLN 導波路は、光パラメトリッ高速信号（1 波 800 Gbps）の 41 チャ

長 1 Tbps を超えるような光信号のク増幅デバイスとして、その高効率

ネ ル WDM 信 号 を 用 い た 5.125

長距離伝送を考慮すると、光増幅器性を生かしたさまざまな応用が期待

THz の増幅中継伝送（30.8 km × 3には、EDFA を超える広帯域性と低されていた。光位相共役変換（OPC：スパン）に成功し、広帯域性を確認、雑音性が求められる。

Optical phase conjugation）、位相感加えて、増幅帯域を 10.25 THz ま

本研究では、従来の光増幅器であ応 増 幅 器（PSA：Phase sensitiveで拡張可能な見通しを得た。

る EDFA の帯域 4 THz の 2 倍以上amplifier）などへの応用が検討され、の 10 THz の増幅帯域と低雑音性をその有効性が実証されている。光は—PPLN 導波路による光パラメトもつ、先デ研が開発した PPLN 導波

電波と同じように波としての性質をリック増幅特性の結果路（P e r i o d i c a l l y p o l e d l i t h i u m

持っており、この波の振動するタイ今回の実証実験で用いた PPLN 導niobate）による光パラメトリックミングを位相と呼ぶ。光パラメト波路による OPA の構成を図 3 に示

増 幅 技 術 OPA（Optical parametric

リック増幅では、PPLN 導波路の非す。この図では、赤色が長波帯域用amplification）を 用 い て、1 波 800

線形性を用いて、導波路に入力されOPA に、青色が短波帯域用 OPA にGbps の超高速信号による、世界初た光から異なる波長や位相をもつ新対応している。入力信号は、左側のの OPA による広帯域増幅中継伝送

たな光の発生や、入力光自身が増幅分波器より入射され、増幅された信を実証した。従来の増幅技術では、される現象である。本研究では、光号は右側の合波器より出射される。

対応する光帯域ごとに異なる種類のパラメトリック増幅の入力光自身が励起光は 1545.32 nm の連続光で、光増幅を適用する必要があったが、増幅される現象を応用した光増幅中2 次高調波発生による 780 nm の励本技術では、EDFA と同程度の低雑継器について検討している。

起光を生成して、PPLN モジュール

音でありながら、1 種類の増幅器で入力WDM信号
λF

ガードバンド :〜125 GHz
合分波器に依存

光パラメトリック増幅技術として2バンドに分割して増幅
λPBS

PPLNモジュール1合波器

定結果を図４（a）に 示 す。 ま た、
PPLN モジュールの写真を図４（b）に示す。10.25 THz（1504 〜 1588nm）の帯域で利得 15 dB 以上、NF
5.1 dB 以下であることが確認でき
dBm として入力波長を掃引して測定

PBS : 偏波ビームスプリッタ
PBC : 偏波ビームコンバイナ

PPLN 導波路を用いた光パラメトリック増幅器の構成

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OPA による広帯域な増幅特性の測る。ここでは、入力パワーを－ 25

2次高調波発生用PPLNモジュール

短波帯域用OPA

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λ

OPA用励起光388 THz

PPLN
長波帯域用OPA

図３PBC

λF

PPLNモジュール2Y-pol.

PPLN

増幅されたWDM信号λλF

X-pol.

基準光λF :
1545.32 nm 光源(194 THz)

位相共役信号

λλF

分波器

OPAによる増幅

１と２に入射させている。

した。従来の EDFA の帯域 4 THz の2.5 倍を超える広帯域化が期待できることが分かる。また、
図４（b）
では、

43

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が確認できる。また、増幅中継した

利得短波長側の 41ch について、誤り訂正符号のエラー訂正閾値を超える、10.2THz
10.2THz
利得15dB以上の帯域
利得15 dB以上の帯域高い信号品質を確認している。

従来増幅器帯域(4従来増幅器帯域(4THz)
THz)

NF

Size : 66 mm × 24.6 mm × 12 mm

30.8 km × 3 スパン伝送後の中継信号特性を、PPLN モジュールを用いた光パラメトリック増幅による 1(a) 測定結果

図４3 dB
カプラ

実験結果

G.654.Eファイバ
30.8 km、損失5.6 dB
OPA (B)

(A)

干渉用
ＷＤＭ信号
（ＡＳＥ）

SW

DAC DAC

帯域ダブラ

帯域ダブラ

光源

IQ変調器

偏波多重

GHz × 41ch）の広帯域な増幅中継
OPAの入出力スペクトルの推移
5.125 THz

(B)

C帯 or L帯
EDFA

測定信号

(A)

120 Gbaud測定信号生成部※
DAC DAC

波 800 Gbps、5.125 THz（125(b) PPLNモジュールの写真(C)長波長帯阻止フィルタ

SW

損失5.5 dB

(C)

増幅

位相共役

増幅

位相共役

受信機

光等化器

基準波長（194 THz）

SW : 光スイッチ

λλλ

1周目 : (A)→OPA→(B)
2周以降 : (C)→OPA→(B)図５

光増幅中継伝送のシステム構成伝送に世界で初めて成功し、その低雑音性を確認できた。あわせて、長波側の信号品質の測定により、増幅帯域 10.25 THz（125 GHz × 82ch）の増幅中継伝送に向けて見通しを得られた。
デジタルコヒーレント技 術により、送受信機の性能が飛躍的に向上しているが、デジタル技術の情報理論的な限界がみえてきているという。「実は、我々は 100 THz 以上ある光ファ

実際の PPLN 導波路をパッケージン

実験では、短波長側の波長多重信号イバのもつ広 大な帯 域を、まだ 10グしたモジュールを示すが、66 mmのみを周回させたが、OPA からはそ分の１程度しか活用できていません。

× 24.6 mm× 12 mm と非常に小型の位相共役光も出力されるため、光光伝送システムの光帯域を効率的にに実装することが可能である。

ファイバには 10.25 THz の信号が入拡張するためには、今回の光パラメト力される構成となっている。OPA のリック増幅のような、革新的なデバイ増幅特性を図６（a）,（b）に示す。利スを用いた光信号処理技術の研究開

得飽和領域でも、単一波長、WDM発が必要不可欠です。」（小林）未—光増幅中継伝送特性評価系の構信号入力ともに歪の無い信号特性が来研では、今後も先デ研との連携を成と実験結果確認される。また、3 周回伝送後で強化し、光伝送システムの新たな領も緑色で示すように平坦な増幅特性域の開拓を進めていく考えだ。

OPA による光増幅中継伝送を世界で初めて実証

次に光増幅の中継伝送の可能性を検証するために評価系を検討した。図５にその概略を示 す。1 周 あ た り で 30.8
km のシングルモードファイバを用いて周回の伝送系

1ch入力

WDMを構成した。高速信号への適用性を検証するため、15.125 THz

波 長 800 Gbps 信 号 を 41
波 OPA で増幅中継を行い、5.125 THz の WDM 信号が周回・増幅中継されている。

44(a)利得飽和特性(b)周回伝送における増幅特性

図６

OPA 増幅特性の結果

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◆宮本 裕氏が NTT フェローに就任

スケーラブル光トランスポート
ネットワークの実現に向けて宮本裕氏 NTT フェロー

（2020 年 4 月 1 日付

6 人目のフェロー）

NTT 未来ねっと研究所
フォトニックトランスポート研究部 / イノベイティブフォトニックネットワークセンタ
電子情報通信学会 フェロー。逓信協会 前島賞、文部科学大臣表彰 科学技術賞、全国発明表彰 特許庁長官賞、信学会功績賞、各受賞。

ファイバ１本あたりの伝送容量（＞50km)NTT研究所は、光ファイバ通信システムの研究開発・実用化において、1970年代の技術開発の黎明期から、世界を大きくリードしてきました。
図１に示すように、NTT グループの実用システムにおける光ファイバ1本当たりの伝送容量は、これまでの 40年で約 6 桁の大容量化が実現されています。このトレンドは、不断の研究開発を通して、様々な光伝送技術のパラダイムシフトを絶えず追求し実用化することで実現され、時々の情報トラヒック需要に応えてきました。
私自身も、1988年のNTT入社以来、幸いにも、図1 の①〜③に示したいくつかのパラダイムシフトを通して、大容量光通信システム・ネットワークの研究開発・実用化に携わることができました。
大容量光通信システム・ネットワークは、単なるインフラの進化のみならず、インターネットの普及やFTTH（Fiber to the Home）、スマートフォンを通したブロードバンドサービスのグローバルな普及を可能とし、結果として、人々のビジネスやライフスタイルを大きく変えてきました。
私自身、そのインパクトの大きさに仕事のやりがいを感じてきました。
最新の光通信ネットワークでは、2013年に、光の波としての特性を積極的に活用するデジタル変復調技術（デジタルコヒーレント技術）を用いた総伝送容量8 Tbpsの長距離光増幅中継システムが実用化されています。
具体的には、１波長あたり100 Gbps容量、光ファイバ1本あたり80波長程度の光を波長多重し長距離伝送します。また、高次多値振幅位相変調を適用することで１波長あたり400 Gbps容量、総伝送容量2倍以上の大容量化が実用段階に入り、更なる発展が期待されています。
これまでパラダイムシフトを起こしてきた革新技術は、最初に研究開発レベルで提案・実験実証（図１黄色線）されてから実用化（図１緑線）に至るまで10年近い年月が必要でした。インフラは一度導入してしまうと10年以上の寿命を保守運用する必要があるため、様々な技術要素を組み合わせ、経済性・信頼性の確認から国際標準化にいたるまでの注意深いプロセスが必要なためです。
今後も、10年スパンで、これまでと同様に2年で2倍近いスケーラブルな長距離光ネットワークの大容量化を実現する場合、将来的に、既存の光ファイバ（SMF）の1本あたりの物理的な伝送限界（〜100 Tbps）が顕在化すること（キャパシティクランチ）が予測されており、大きな技術課題として認識されています。
私達が現在取り組んでいるスケーラブ
ル光トランスポート基盤技術は、このキャパシテイクランチを克服する第4のパラダイムシフトを起こす取り組みです。
2012年に、私達は、未来ねっと研究所の中にIPC（イノベイティブフォトニックネットワークセンタ）を立ち上げ、先端集積デバイス研究所を始め、関連研究所と密に連携して、キャパシティクランチを超えるスケーラブル光トランスポート基盤技術の研究開発を加速してきました。
周波数利用効率とシンボル速度というこれまでの大容量化の2軸の高度化に加え、空間多重化/広帯域化といった光媒体技術の進化を第3の軸として取り入れることで、伝送容量として1波長当たり10 Tbps、総伝送容量1 Pbps、の実現を目標に掲げています。これまで、世界に先駆けて、空間多重光通信技術を用いたファイバ当たり1 Pbps
容量（既存SMFの長距離伝送限界の10倍以上）の長距離伝送実験や、新たな光電子集積技術を適用した1波長あたりスケーラブル光トランスポート技術(本研究）1 Tbps超容量（現在の実用システムの10倍以上）の長距[bit/s]10 P
APN
1P
★★
離伝送実験に成功してきました。これらは、NTT研究所が、
★
★
★★
100 T
既存ファイバ（SMF)
システム・デバイス技術から光媒体技術に至るまで、世界に★
★の伝送限界の顕在化★
10 T★
通用する幅広い光通信分野の研究開発を進め、社内やグロー（キャパシティクランチ）★
③デジタルコヒーレント
1T★
バルなパートナーとタイムリーに連携することで初めて実（デジコヒ）★
100 G②波長多重（WDM)現できた成果だと思っています。
★
★
10 G①光増幅中継（EDFA)
シングルモード★
「知の泉を汲んで研究し実用化により世に恵みを具体的
光ファイバ★
電気多重（TDM）
1G★に提供しよう」という通研初代所長の吉田五郎氏の言葉★ ★：最先端研究
電気通信→光通信
100 M：NTT商用システム
を座右の銘として、IWON 構想における APN（オールフ
10 M
2030
1980 1990 2000 2010 2020同軸ケーブルォトニクスネットワーク）の実現を通し、今後も、関連研
年究所と密に連携し、本分野の発展に貢献していきたいと考
図 1 キャパシティクランチ克服への挑戦
えています。

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