空間多重光通信

大容量光ネットワーク

マルチコア・マルチモード光ファイバ

R&D 毎秒ペタビット級伝送の実現を目指した
高密度空間多重光通信技術
NTT未来ねっと研究所
みやもと

宮本ゆたか

た け の う ちひろかず

裕 /竹ノ内 弘和

1本の光ファイバで現在の100 〜 1000倍を超える毎秒1ペタビット（Pbit）以上の大容量伝送の実現に向けて，空間多重光通信技術の研究開発が本格化していま
す．ここでは，1本のファイバ中に複数のコア（光信号の通り道）を持つマルチコアファイバや，マルチモードファイバにおけるモード分割多重を駆使することで光ネットワークの飛躍的な大容量化を実現する，高密度空間多重光通信技術の最近の研究開発の現状と展望について紹介します．

大容量光ネットワークを支える空間多重光通信技術の意義

リに研究開発 ・ 実用化することにより，中継する波長多重光増幅中継システム

30年で約 ５ 桁近い大容量化に貢献して（WDM: Wavelength Division Mul­ti­plex）

きました．1980年代までは， １ 波長を高が実用化されました．シリカ平面光波回光ネットワークの大容量化を支えてき速変調する電気多重技術によりGbit/s

路による波長合分波フィルタの高性能た光通信技術の変遷を図 １ に示します．

級の大容量化が実現され，高信頼 ・ 経化が進み，波長多重されるチャネル数がこれまで，もっぱら １ 本の光ファイバに済的な電話網のための基幹ネットワーク30を超えたあたりから，高密度波長多重光の通り道（コア）が １ つで，かつ導波が完成されました．1990年代中ごろになシステムと呼ばれるようになりました．

モードが １ つになるよう設計されたシン

ると，インターネットの普及によるデー

現 在では，ファイバ １ 心で約 １ Tbit/s

グルモード光ファイバが，基本の伝送媒タトラフィックを経済的に収容転送する（ 1 Tbit/sは1000 Gbit/s）容量を伝送す体として用いられてきました．NTT研究ための光ネットワークの実現が重要となる高密度波長多重光増幅中継システム

所では，その広帯域性を最大限に活かり，光増幅技術と波長合分波技術の実が実用化されています．さらに近年，大す経済的な最先端光伝送方式をタイム用化により，複数波長を多重して光増幅

規 模 超 高 速CMOS（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor）集積回路の進展により，100 Gbit/sを超える実用（bit/s）

的な超高速デジタル信号処理を用いて10 P

高感度なコヒーレント検波を実現する，
空間多重光通信技術（SDM）

1P
ファイバ1心当りの伝送容量

100 T

デジタルコヒーレント技術

10 T
1T

波長多重光増幅中継技術ようになりました．その実用化と，さらなる高性能化のための研究開発が活発化しています．
デジタルコヒーレント技術は，受信感

400 Gbit/s/ch.

度と周波数利用効率を向上するととも100 Gbit/s/ch.に，従来は困難であった長距離伝送時の光ファイバの歪特性補償性能を大幅

電気多重

1G

：空間多重光通信技術を用いた伝送実験（研究）：空間多重光通信技術を用いない伝送実験（研究）100 M
10 M

20 Tbit/s/fiber
8 Tbit/s/fiber

100 G
10 G

デジタルコヒーレント技術が注目される
シングルモード
光ファイバの物理限界

ファイバ内入力パワー限界・非線形シャノン限界：NTTの実用化システム容量

19801990

図1200020102020

光通信システムの発展と今後の展開

2030 （年）に向上できます．現在，光ファイバの異なる偏波軸に別々の光信号を ４ 値位相変調信号で変調して偏波多重 ・ 伝送することで， １ 波長当り100 Gbit/s級の大容量伝送が実現され，従来の波長多重システムと同様に搬送波の周波数間隔

52NTT技術ジャーナル 2014.8

Ｒ ＆Ｄホットコーナー

50 GHz間隔において，既存の光ファイ般的な通信理論によれば，一定の信号バ内入力パワーの高パワー化が進み，典バを用いた10 Tbit/s級の大容量光ネッ対雑音比に対する周波数利用効率（帯型的な光信号パワーは現状，約100 mW

トワークが実用化レベルにあり，研究レ域当りの通信容量）の上限は，理論的程度（ １ 波長当り １ mW程度）となって＊２

ベルでは多値数を64 〜 128値に高度化にシャノン限界で与えられます．光います．さらなる大容量化を進めると，することで100 Tbit/sの大容量伝送が報

ファイバ通信システムでは，通信容量を本質的にファイバ内の信号入力パワー告されています．

増やすために通信容量に比例して信号をさらに上昇させる必要があり，光増幅

しかし，100 Tbit/sを超えるさらなるパワーを上げると，光ファイバの非線形中継器の出力パワーを今より向上させ大容量化には，光伝送媒体，伝送方式光学効果によりWDM信号間にクロスるとともに，光ファイバ内の許容される上のさまざまな限界がみえつつありまトーク（光信号の漏れ込み）や波形歪入射パワーを考慮する必要があります．

す．そのような中で空間多重光通信技みが生じ，信号を長距離伝送できなくその物理的な限界として，光ファイバの術（SDM: Space Division Multiplexing）なります．このため光ファイバ通信シス

ファイバフューズと呼ばれる熱破壊現は，媒体としての光ファイバに空間の自テムにおける周波数利用効率は，非線象を考慮する必要があります．ファイバ

由度という新しい要素を付加し，デジタ形光学効果によりシャノン限界で与えらフューズは光ファイバの直径約10μmのル信号処理をさらに高度化することによれる値よりさらに制限されます．近年のコア部分を光信号が伝搬時に，何らかのり，従来のシングルモード光ファイバのWDMシステムでは，高性能誤り訂正技

原因で局所的な損失が生じた場合に光吸物理限界を超える大容量化技術として術を適用することで，送信信号パワー収が起こり，コア部分の温度が急上昇す提案され（1），近年研究開発が活発化しを非線 形効果が顕在化しない信号パると，コア部分が溶融しながら光源側にています．

ワーにおいて設計することで大容量化伝搬する現象です．既存の光ファイバのNTT未来ねっと研究所イノベイティブが実現されてきました．最近では，これファイバフューズの伝搬が止まるしきい

フォトニックネットワークセンタ（IPC）

らの非線形光学効果による伝送劣化を値パワーが詳細に調べられ，1.2〜1.4 W

では，100 Tbit/sを超えて毎秒ペタビッデジタル信号処理により補償する技術程度であることが知られています．これト 級（ 1 Pbit/sは1000 Tbit/s） の 伝 送も検討されています．さらに，海底伝送らの現象を回避するためのフィールド環

容 量まで拡 張 可 能なスケーラブル光システムでは，光ファイバの選択に自由境における高パワー信号を安全に取りネットワークの実現に向け，長期的な視度があるため，コア径拡大により非線形扱う運用技術や安全ガイドラインが確点でNTT独自のシステム技術とキー部光学効果を低減した光ファイバが適用立され，実用システムにおいてはこれま

品 ・ 材料技術を結集し，さらにNTT研されています．これらの要素技術を組で安全な運用が図れてきました．した

究所内外の人材 ・ 技術と広く連携するみ合わせて，非線形光学効果を抑圧し，がって，さらなる大容量化に向けてはことで，空間多重光通信技術の高密度周波数利用効率向上を図る長距離大容ファイバフューズの制限を回避する耐化を可能とする将来の革新的基盤技術

量システム設計技術は今後も着実に進パワー性と保守者の安全 性が高い光の研究開発を推進しています．
ここでは，むと考えられます．しかしながら，長期ファイバ ・ 光コネクタ ・ 光通信システム技術の研究開発が必要となります．

将来にわたり持続的に伝送容量を拡張

的に １ 桁をはるかに超えるシステム利得可能なスケーラブル光ネットワークを実の向上，すなわち100 Tbit/s以上の伝送現する基盤技術の １ つとして，高密度性能のスケーラビリティの飛躍的な拡大

空間多重光通信方式の概要

空間多重光通信技術の研究開発状況にを実現するためには，シングルモード光前述した ２ つの課題を克服するためついて紹介します．

ファイバにおける，周波数利用効率のに，図 ２ のように光ファイバの空間のシングルモード光ファイバを用いた光通信システムの技術課題

物理的な限界を超える新しい技術が必

自由度を最大限に利用し，コアの断面要とされています．
第 ２ の課題は，光ファイバ損傷しきい＊1＊2

従来の光伝送技術における第 １ の課題値による光入力パワー制限です．波長は，光ファイバ中の非線形光学効果＊ １

多重光増幅中継システムの実用化に際しによる周波数利用効率の制限です．一ては，光通信システムにおける光ファイ非線形光学効果：光強度に依存して，光信号の位相や周波数などが変調される現象．
シャノン限界：通信チャネルが持つSNRと周波数帯域幅によって決まる，これ以上デー
タ伝送速度を上げられない伝送容量の限界のこと．

NTT技術ジャーナル 2014.853

空間多重光通信技術による伝送容量のスケーリング：M × N > 100
DSP

Tx 1

DSP

Tx 2

DSP

Rx 2

DSP

Rx Ｍ

DSP

（2N×2N MIMO信号処理回路）

Rx 1

…

Tx N

Rx N

（2N×2N MIMO信号処理回路）

…

…

…
Tx Ｍ

Rx 1…

…
DSP

マルチコアファイバ（コア数：M >10）

DSP

Tx

Rx

DSP

and／or
Tx 1

マルチモードファイバ（モード多重数：N>10）
モード 2

Tx 2

モード 3

Rx 2

モード 1

モード 1

従来のシングルモード光ファイバ
Rx：受信フロントエンド回路
Tx：送信フロントエンド回路
DSP（Digital Signal Processing）：デジタル信号処理回路

図2

空間多重光通信技術の概要

積を増加させることにより，伝送容量いては，コア間クロストークを考慮した

受信側で異なるモードで伝送されたを拡大しても光信号のパワー密度が上コアの配置設計を適切に行うことで，従個々の信号を分離することが技術的に昇しない空間多重光通信方式が提案さ

来のシングルモード光ファイバと同様の困難だったからでした．しかしながら，れ，大別して以下の ２ つが検討されて光送受信システムを用いて １ 本のファイ近年の携帯電話や無線LANなどで開発います（2）．

バでコア数分の大容量化が可能となりされたMIMO（Multiple Input Multiple（１） マルチコアファイバを用いた光空ます．

Output）＊ 3 信号処理を応用した送受信（２） マルチモードファイバを用いた空端のデジタル信号処理を光通信システ

間多重伝送方式
1 心のファイバ中に，コアを複数形成間多重光通信方式

ムに適用することで，受信側でのモーしたマルチコアファイバを用いた空間多マルチモードファイバを用いた空間ド分離の可能性が示されました．この

重光通信方式では，コア数を増やすこ

多重光通信方式では，コアの断面積を結果，許容されるモード数を増やすことで，コア当りのパワー密度を増加させ拡大し，パワー密度を減らすマルチモーとで空間多重数を向上するモード分割ることなく，ファイバ 1 心当りの総伝送ドファイバを用います．コアの断面積多重光通信方式がさかんに検討されて容量を拡大できる利点があります．コアを拡大するため，必然的にコアにおいいます．分離可能なモード数は，主に間の独 立 性を確 保したマルチコア光て伝搬を許容される導波モードが複数モード間の遅延量とデジタル信号処理

ファイバ通信システムでは，コア間の光となるマルチモード光ファイバになり量の実現性で本質的に決まり，現状の信号のクロストークの設計が，もっともます．これまでの光通信システムでは，研究レベルではメモリ ・ 計算機による重要となります．従来の光ファイバと同同じ波長（光搬送波周波数）において様のシングルモードコアから構成される個々のモードに別々な信号を乗せて多マルチコア光ファイバ通信システムにお重伝送することは困難でした．それは，

54

NTT技術ジャーナル 2014.8＊3

MIMO：複数の送受信機を組み合わせてデータの送受信の帯域を広げる通信技術．

Ｒ ＆Ｄホットコーナー

実験的なデジタル信号処理（オフライ関するデバイス技術も進展し，マルチン処理）により，偏波モードを除く ６コアファイバを用いた大容量伝送実験

重数（コア数）を増加させるためには，モードまでの多重分離伝送実験が報告

や長距離伝送実験が多数報告されてま

まずコア間のクロストークをある程度抑されています．

コア間の信号の独立性を保ちつつ多す．最近の研究状況を図 ３ に示します．

えなければいけません．そのために一定上述したマルチコアファイバ，あるい

最近の伝送容量のトップクラスのデー距離以上のコア間隔を維持しながらコはマルチモードファイバを用いた空間多タは，いずれも現時点ではマルチコアア数を増加させる配置設計を行う必要があります．

重光通信方式は各々独立な技術であるファイバを用いた伝送実験です．NTT

ため，これらを適切に組み合わせること研究所では，情報通信研究機構の委託一方で，機械的な信頼性確保の点かで，波長多重システムと同様に多重数と研究の一部支援の下，他研究組織と連らマルチコア光ファイバのクラッド直径

して，将来的には30 〜 100を超える空間携して，図 ３ の斜線部分のような最先には上限（200 μm程度）を考慮する必

多重数を持つ高密度空間多重光通信シ

端の成果を実証してきました（3）〜（5）．最要があるため，無制限にコア数を増やステムを実現できる可能性があります．

近私たちは，コア当りの周波数利用効すことができないトレードオフがありま

空間多重光通信技術の実験例と今後の発展

率 を 高 め る こ と が で き る16値QAMす．図 ４ に，これまでのマルチコア空間（Quad­ra­ture Amplitude Modulation）や多重伝送を用いた大容量伝送実験に関32値QAMなどの多値度の高い変復調技

して1000 km伝送後のクロストークと，空間多重光通信の研究開発は近年活術と，シングルモード ・ 12コアマルチ空間多重数の関係をプロットしました．

発化し，これまでに損失や分散などのコアファイバを用いた空間多重技術をこれまでコア数Nとして 7 〜 19のシン特性は従来のシングルモード光ファイ併用することで，2012年 9 月には総伝グルモードコアのマルチコアファイバ伝

バとほぼ同等のものが研究レベルで実送容量 1 Pbit/sを超える大容量伝送実送が報告されていますが，クラッド径の（3）証されつつあります．
マルチコア光ファ験 （http://www.ntt.co.jp/news2012/

制限下では，コア数の増加とともにクロイバと従来のシングルモード光ファイ1209/120920a.html），2013年 9 月 に はストークが急激に増加してしまうため，バのインタフェース技術（ファンイン ・Pbit/s容量級の長距離伝送実験（4）に世

空間多重数は19にとどまっています．今ファンアウトデバイス，融着技術）に界で初めて成功しています．

後のデジタルコヒーレント伝送技術の発シングルモードコアのマルチコアファイバ（双方向伝送）（Tbit/s）
10000

10

ファイバ

1000

1

心当りの伝送容量

1100

100

1010

10.

1

110Pb

1
it/

s×km

Pb

Pb

it/

it/

Pb

it/

Eb

it/

Eb

マルチコア・マルチモードファイバ

it/

s×km

シングルモードコアのマルチコアファイバ

s×km

s×km

従来のシングルモード光ファイバの物理限界

s×km
シングルモードファイバ（シングルコア）s×100

シングルコア・マルチモードファイバ

km

1000

10000 （km）

伝送距離

図3

空間多重光通信技術の研究開発状況

NTT技術ジャーナル 2014.855

１０００ ｋｍ 伝送後のコア間クロストーク量

N×M= 7 × 1（dB）−50高密度空間多重（空間多重度30〜100）
N×M=12× 1
N×M=12×3−40

各変調方式における伝送劣化 0.5 dB以下の許容クロストーク量

Dense Space Division Multiplexed Transmission
over 40 km Employing Multi-carrier Signals
with Parallel MIMO Equalization,” OFC 2014,
Th5B. 2, San Francisco, U.S.A., March 2014．
（6） http://www.ofcconference.org/home/news-andpress/ofc-nfoec-press-releases/day-5thursday, -march-13-final-day-of-ofc-includ/

64QAM
32QAM
16QAM
8QAM
QPSK

−30
−20
N×M=19× 1−10027 10203050100

空間多重数（N×M）

図4

高密度空間多重光通信の実現に向けた検討

展を考慮すると，実用レベルの ４ 値より 多 値 度 の 高 い 変 調 方 式（ 8 〜64QAM）の適用も考えられ，コア間の許容クロストーク量は−30 dB以下であることが望ましいと考えられます．さらに，インフラ用光ファイバとしては，シングルコアファイバと同様に，数10年以上にわたり多重度のスケーラビリティを確保できることが望ましいと考えられま
す．NTT未 来 ね っと 研 究 所IPCで は，社内外の関連研究機関と連携し，2014
年 3 月に各コアにおいて ３ つの異なるマルチモード多重分離を実現した１２コアのマルチコア ・ マルチモードファイバを用いた空間多重数が30を超える超高密度空間多重伝送実験（空間多重数36＝ ３ モード多重×12コア多重）に世界で，初めて成功しました（5）（6）．コア間のクロストークを抑えつつ，多重度のスケーラビリティを30〜100以上に拡張できるマルチコア ・ マルチモードファイバを用いた超高密度空間多重光通信の長距離化等，今後の進展が期待されます．

56

NTT技術ジャーナル 2014.8■参考文献（1） T. Morioka: “New Generation Optical Infra­
structure Technologies “EXAT Initiative”
Towards 2020 and Beyond，” OECC2009，
FT4，Hong Kong，China，July 2009．
（2） Y. Miyamoto, H. Takara, and A. Sano：“Crosstalkmanaged multicore fiber transmission with thecapacities beyond 1 Pbit/s，” ACP 2013,
AF3D. 2，Beijing, China, Nov. 2013．
（3） H. Takara, A. Sano, T. Kobayashi, H. Kubota，H.
Kawakami, A. Matsuura, Y. Miyamoto, Y. Abe,
H. Ono, K. Shikama, Y. Goto, K. Tsujikawa, Y．
Sasaki, I. Ishiba, K. Takenaga, S. Matsuo, K.
Saitoh, M. Koshiba, and T. Morioka: “1.01-Pb/s（12 SDM/222 WDM/456 Gb/s）Crosstalkmanaged Transmission with 91.4-b/s/Hz
Aggregate Spectral Efficiency，” Proc. ECOC
2012, Th.3.C.1, Amsterdam, Netherlands, Sept.
2012.
（4） T. Kobayashi, H. Takara, A. Sano, T. Mizuno,
H. Kawakami, Y. Miyamoto, K. Hiraga, Y. Abe,
H. Ono, M. Wada, Y. Sasaki, I. Ishida, K.
Takenaga, S. Matsuo, K. Saitoh，M. Yamada,H. Masuda, and T. Morioka: “ 2 × 344Tb/s
Propagation-direction Interleaved Transmission
over 1500-km MCF Enhanced by Multicarrier
Full Electric-field Ｄigital Back-propagation，”
ECOC 2013, PD3. E. 4, London, U. K., Sept.
2014．
（5） T. Mizuno, T. Kobayashi, H. Takara, A. Sano,
H. Kawakami, T. Nakagawa, Y. Miyamoto, Y.
Abe, T. Goh, M. Oguma, T. Sakamoto, Y.
Sasaki, I. Ishida, K. Takenaga，S. Matsuo, K.
Saitoh, and T. Morioka: “12-core × 3 -mode（左から）宮本裕/ 竹ノ内 弘和

今回紹介した高密度空間多重光通信技術
は，将来の光ネットワークの飛躍的な大容量化を実現する主要技術になっていくと期待されています．今後も持続的な光ネットワークの発展に向けた，革新的な基盤技術の確立を目指します．

◆問い合わせ先NTT未来ねっと研究所
イノベイティブフォトニックネットワークセンタ
TEL 046-859-3064
FAX 046-859-5541
E-mail ｍiyamoto.yutaka lab.ntt.co.jp