Ⅰ

ネットワーク基盤技術

１. 光ネットワーク技術

光通信インフラの革新を 目 指 し て ／ 淡 路 祥 成

光通信インフラの革新を目指して－空間/モード分割多重光ファイバ通信時代の幕開け－「情報通信の根幹を支える光ファイバ通信は容量枯渇の危機に直面しています。次 世 代の 光ファイバ 通 信
インフラを構築する空間 / モード分割多重方式などの取組みを紹介します。」

淡路 祥成（あわじ よしなり）

光ネットワーク研究所
フォトニックネットワークシステム研究室 研究マネージャー
大 学 院 修了 後、1996 年、郵 政 省 通 信 総 合 研 究 所（現NICT）に入所。光信号処理、光増幅器、光パケットスイッチングなどに関する研究に従事。2004 〜 2006 年、内閣官房にて情報セキュリティ政策に従事。博士（工学）。

光ファイバ通信容量危機
インターネット人口の爆発的な増加をはじめ、スマートフォン / タブレットのめざましい普及やインターネットでのリッチコンテンツサービスの一般化を根幹で支えているのは、他の通信媒体に比べて圧倒的に大容量・低損失な光ファイバ通信であることはよく知られています。しかしながら、光ファイバの持つ伝送帯域といえども無限ではありません。これまで表面化していなかったのですが、光ファイバ通信研究の最先端では容量枯渇に関する危機感がにわかに増大しています。
通信用のシリカ＊1 系光ファイバは、波長 1.55 ミ
クロン付近に極低損失を実現できる透明な領域を持っており、この波長帯で実用的な光増幅器が発明されたことで、一気に通信容量の拡大が行われ

022

わずか 9 ミクロン程度の光ファイバのコアに集中の低損失領域と光増幅器の増幅領域が広い波長します。このような非常に高いパワー密度におい帯で重なり合ったから生じたものに他なりません。ては、光ファイバを構成するシリカ材料といえども従って、波長分割多重（WDM）
通信の初めの頃は顕著な三次の非線形性（光の強度に依存して光信波長チャネル数の増設のために未利用の発振波号自身が変化する現象。材料によって、二次、三長のレーザ光源と光増幅器の開発を行う周波数次…と効果の大きさが変化する。
）
を示し、信号光開拓が盛んに行われました。ひと通り1.55 ミクロの波形歪みやスペクトル変化などを引き起こすたン近傍の周波数開拓が進むと、無線通信と同様め OSNR には実質的に極大値が表れます。また、に周波数利用効率を上げる取り組みに研究の中さらにパワー密度が高くなると光ファイバのコア心が移っていき、差動 4 値位相変調（DQPSK）
やがプラズマ ＊ 3 化して焼損するファイバフューズ現

直角位相振幅変調（QAM）、直交周波数分割多重象を引き起こし、通信機器の破損や火災の危険性（OFDM）といった高度な変調フォーマットが光技にもつながってきます。

Ⅰ−２

Ⅰ−３
ネットワークセキュリティ技術

光ファイバ通信の大容量という特徴は伝送媒体

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

されたそれらの信号チャネルの合計パワーは直径

光ネットワーク技術

たのが 1990 年代の終わりでした（図 1）。つまり、術によって実装可能になってきています。
周波数利用効率は理論的にはシャノン限界＊2

NICT発 −世界に向けての EXAT イニシアチブ−に沿って、信号品質（OSNR）の向上とともに高く発生しました。OSNR を向上させるためには、信界と、トラヒック需要予測を鑑みて、当時仏アル号光のパワーを増加させる必要があり、波長多重カテルの E. Desurvire が 2006 年の論文で容Ⅰ−４

このようなパワー挿入限界、増幅器の帯域限

新世代ネットワーク基盤構成技術／テストベッド技術

なっていきますが、ここで光ファイバ特有の問題がⅡ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

Ⅲ 未来基盤技術

IC
T

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

図1

容量枯渇とブレークスルー௶ၡฆఒɈ

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023

Ⅰ

ネットワーク基盤技術

１. 光ネットワーク技術

光通信インフラの革新を 目 指 し て ／ 淡 路 祥 成

図2EXATイニシアチブと3M技術

量枯渇（Capacity Exhaustion）について問 題関連の深い研究機関から矢継ぎ早に論文発表を提起しています。実際に、光ファイバ 1 本あたり行った結果、海外でも当該分野の急速な展開がの伝送容量の伸びは 2001 年を境に 100 テラ始まっています。特に、マルチコアファイバやマビット毎秒に漸近して飽和しつつあるようにも見ルチモード（数モード）ファイバを積極的に利用えます（図 1）。しかしながら、このような危機的した空間 / モード分割多重伝送方式は、先述の問題に対しての反応は芳しくなく、事実上放置さ光挿入パワー限界を大幅に押し上げることが可れていたのですが、2008 年 1 月に NICT の呼能な技術です。

びかけにより、産学官の研究者が結集して誕生した EXAT 研究会（光通信インフラの飛躍的な高度化に関する研究会）が本格的に取り組みをSMF始めました。議論の結果、容量枯渇を打破し、来たる 20 年後に 3 〜 5 桁（千〜 10 万倍）の容量増加を実現するためには、多値変調（Multi-level

コリメートレンズ
集光レンズ

SMF

中心コア

外側コア
SMF

各コア独立に集光modulation）、マ ル チ コ ア フ ァ イ バ（Multi-Marker

core fiber）、マルチモード制 御（Multi-modecontrolling）の 3 つ の 技 術 領 域（3M 技 術 :Triple Multi- Techs）を発展させることが重要であるとの結論を得て（図 2）、同年 11 月に国際シンポジウムを開催して日本発の EXAT イニシアチブとして世界に発信を始めました。その後も

024

MCF
外側コア

2 45μm

7615310μm

4150μm図3 レ
 ンズ結合型マルチコアファンイン/ファンアウトとトレン
チアシスト型７コアファイバ

光ネットワーク技術

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

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ネットワークセキュリティ技術

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マルチコアファイバによるラゲール・ガウスモード分割多重信号伝送

Ⅰ−４

新世代ネットワーク基盤構成技術／テストベッド技術

図4

多角的な研究体制から生み出された世界記録

いなかったラゲール・ガウスモードを用いたモード分割多重方式と光ファイバ伝送の実証実験をNICT においては、「革新的光ファイバ技術の世界で初めて行いました（図 4）。

研究開発」と「革新的光通信インフラの研究開Ⅱ今後の展望

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術発」の委託研究を実施して、国内の研究機関の力を結集し当該分野の研究開発の加速を図ると共に、自らも率先して先鋭的かつハイリスクな研究に取り組んでいます。
一例を紹介すると、空間光学の常識からは実現不可能と思われていたレンズ結合型マルチコ

今後は、引き続き我が国が当該分野で重要な役割を果たしていくために、国際協力・連携等を積極的に進め、関連技術の標準化、実用化の加速に貢献していきたいと思います。

成功し、トレンチアシスト型 7 コアファイバを用ある 109 テラビット毎秒を達成しました（図 3）。
100 テラビット毎秒は容量枯渇問題で実質的な多重方式で突破したのは歴史的にも意義深いことと言えます。
また、NICT では学会等で多数派を占める、高次 LP モードを用いたモード分割多重方式と一線を画し、光通信業界ではほとんど知られて＊1

ICTシリカ二酸化ケイ素（SiO2）、いわゆるガラス。

＊2

シャノン限界通信チャネルが持つ信号対雑音比と周波数帯域幅によって決まる、伝送容量の限界のこと。1948 年に C. E. Shannon が定式化した。

＊3

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

壁と考えられていたので、これを新しい空間分割

用語解説

基盤技術

いて、2011 年に、当時、伝送容量の世界記録でⅢ 未来

アファンイン / ファンアウト結合装置の開発に

プラズマ

気体の温度が上昇すると気体の分子は解離して原子になり、さらに原子核のまわりをまわっていた電子が原子から離れ、陽イオンと電子に分かれる（電離）。電離によって生じた荷電粒子を含む気体をプラズマという。

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