Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
研究責任者：森田逸郎（KDDI総合研究所）

ア）大容量マルチコア伝送方式の検討

ア)-a) 空間多重型光ファイバの方式検討

ア)-a)-1 マルチコアファイバ方式（KDDI総合研）

ア)-a)-2 マルチコアファイバ伝送方式における光雑音処理に関する技術開発（東北大）

ア)-b) 空間多重型光ファイバの評価技術検討

ア)-b)-1 透過型測定による空間多重型光ファイバの評価技術（住友電工）

ア)-b)-2 OTDRによる空間多重型光ファイバの評価技術の開発（東北大）

ア)-c) 空間多重型光中継器の方式検討

ア)-c)-1 高効率マルチコア光増幅技術（古河電工）

ア)-c)-2 結合型マルチコア光増幅システム技術（NEC）（R1年度まで）

イ）マルチコア要素基盤技術開発

イ)-a) 空間多重型高密度デバイス基盤技術（オプトクエスト）

イ)-b) マルチコアファイバケーブルシステムの基盤開発（NEC）

マルチコア伝送システム研究開発運営委員会

座長 松島裕一 教授（元早稲田大学）

構成員 秋葉重幸 教授（元東京工業大学）

構成員　國分泰雄　教授（ものつくり大学）

構成員 齋藤晋聖 教授（北海道大学）

図 1 研究開発体制

表 1. 各課題の目標達成状況

課題	到達目標	目標に対する主な成果	達成状況
ア-a)	既存海底ケーブルと同等のスペースで、ケーブル総容量240Tbps以上、伝送距離1000km超を可能とする空間多重型光ファイバの設計および伝送技術を確立する。	極めて低損失で低クロストーク(XT)、低空間モード分散(SMD)な長尺の標準外径非結合型4コアファイバおよび結合型4コアファイバ(両ファイバとも60.2km×4スパン)の設計・開発に成功。課題全体で、既存ケーブル構造のままで目標の7倍以上のケーブル容量1.74Pbps(4コア32心、伝送距離3120km)の可能性を実証。さらに両非結合型、結合型4コアファイバにてそれぞれ太平洋横断9150km伝送の可能性も実証。結合型MCF伝送については7200km伝送後でリアルタイムMIMO信号処理の可能性を実証。MCFのGAWBS雑音の影響・補償技術を世界に先駆け実証。	目標以上120%
ア-b)	空間チャネルの損失均一性およびチャネル間結合を測	波長掃引法とOTDR法の2つの方式でチャネル間結合を評価する技術を確立、双方の評価値	目標達成100%
定評価する基本技術、および、評価結果に基づき、ケーブル化されたファイバの伝送性能の予測を可能にする基本技術を確立する。	の一致を確認。波長掃引法で結合型MCFの損失均一性(MDL)を評価する技術を確立、±15%の精度で実証。ファイバ特性と仮定するケーブル曲げ半径から、ケーブル化後の性能を予測する基本技術を確立。
ア-c)	効率的な励起技術を開発し、コア当たりの消費電力が現行のシングルモードファイバ用増幅器に匹敵する増幅技術を確立する。	クラッド励起方式の励起効率を改善するため、クラッド内に散乱体(今回気泡)を設け励起効率の上昇を確認。また、双方向伝搬とポンプリサイクルの両機能の併用・実証により、シングルモードファイバ用増幅器に匹敵する性能(クロストークの半減)と、残留励起光の再入力による必要励起光の低減を実証。コア励起結合型4コア光増幅器において出力レベルを±1.5dB以内(実力値:32GBaudで0.5dB以下)の安定化技術を確立。	目標達成100%
イ-a)	アイソレーター・カプラ等の複数機能デバイスを統合した2つ以上の機能を有する基本デバイス技術を確立し、システムの小型化・高性能化を実現するとともに、コア径・コアピッチに依存せず使用可能な汎用性の高いデバイス技術を確立する。また、多数空間チャネルによる高入力パワーに耐えられる低損失デバイス技術を確立する。	2つ以上の機能を複合した光増幅器用機能光デバイスを顧客のニーズに合わせて4種類開発し、サイズ55%以下、損失0.8dB以下の技術を確立。単一レンズの使用によりコア径・コアピッチに依存しない構造を実現。振動衝撃試験、温度サイクル試験等複数の信頼性試験で特性劣化がないこと、1.5W/コアの高入力パワー耐性も確認。IRカメラを用いた光学調心技術を開発し、空間結合型デバイスのデメリットとして指摘される製造時間を従来工法と比較して23%削減に成功。	目標以上120%
イ-b)	フィールドに導入可能なケーブル面積及び15kVの給電上限を考慮したマルチコアファイバケーブルシステムの設計技術を開発する。ケーブル総容量240Tbpsの長距離大容量伝送システム技術を確立する。試作する中継器では、部品点数の削減を通じて、ケーブル実装の可能性を示す。また、短距離ケーブルの試作評価によりア-b)	クロストーク(XT)を考慮したGeneralized OSNRやマルチコア光増幅器のセルフヒーリング効果の検討を通して、MCFシステム特有の設計技術を開発。非結合型および結合型4コアファイバケーブルを試作し、既存17mmケーブルに最大で16ファイバペア(コア数で言えば、4コア×16ファイバペア×2=128コア)のMCF収容が可能であることを実証(ア-a)と連携し1.74Pbpsのケーブル容量を実証)。本件、報道発表を行い、NHKニュースに掲載。ア-c)、イ-a)と連携し、部品点数削減と部品最適配置などにより、現行収容スペースの1/2を実現。	目標以上120%
で確立するファイバ性能予測技術の妥当性を実証するとともに、ケーブルの性能評価指標を明確化する。	-b)と連携し、2種の開発ケーブルにてファイバ性能予測技術の妥当性を実証し、MCF 特有のXT、MDL、SMD 等の性能指標を明確化。

研究成果については、査読付き誌上発表論文数16件（全て海外論文誌）（目標11件）、査読付き口頭発表論文数51件（内海外39件）（目標20件）、口頭発表数69件（内海外8件）（目標33件）、特許出願数41件（内PCT出願他12件）（目標19件）と目標を上回る多数の成果を国内外に発表するとともに、受賞数7件、報道発表数8件（目標8件）、報道掲載数42件の成果を出した。特に報道掲載数については、最終年度に課題間連携を通して得られた成果を報道発表や記者説明会において広く世の中にアピールし、NHKの朝のテレビニュースや新聞各社にも取り上げられた。

各年度の予算配分を表2に示す。最初のH30、H31年度は、課題アの各種方式検討に予算を充当し、各種方式の骨子確立を加速させ、後半のR2、R3年度は課題イの光デバイスおよびシステムの基盤開発に予算を充当することで、アウトカム目標に掲げる実用化に向けた技術開発を加速させた。以上より、研究グループ全体で費用対効果を最大限に高められる施策を行うことで、表2に示す大きな成果を達成することができた。

表 2. 分担者毎の予算配分（単位百万円：小数点第二位四捨五入）

分担者	H30年度	H31年度	R2年度	R3年度
課題ア	a-1) KDDI 総合研究所	65	63	19.1	19
a-2) b-2) 東北大学	14	13.6	13.5	13.4
b-1) 住友電気工業	13	12.8	4.7	7
c-1) 古河電気工業	29	28.1	10	10
c-2) 日本電気	35	34	-	-
課題イ	a) オプトクエスト	24	23.3	18	18
b) 日本電気	30	29	135.3	134
合計	210	203.8	200.6	201.4

### 3.1 大容量マルチコア伝送方式の検討

#### 3.1.1 空間多重型光ファイバの方式検討

既存海底ケーブルと同等のスペースで、ケーブル総容量 240Tbps 以上、伝送距離 1000km 超を可能とする空間多重型光ファイバの設計および伝送技術を確立する。

ア-a-1）マルチコアファイバの方式検討（KDDI 総合研究所）

既存海底ケーブルと同等のスペースで、ケーブル総容量240 Tb/s以上（4ファイバペア（FP）を想定した場合は60 Tb/s/心以上）、伝送距離1,000 km以上を可能とする空間多重型光ファイバの設計および伝送技術を確立すべく、結合型及び非結合型マルチコアファイバを用いた伝送実験を実施した。

はじめに、非結合型及び結合型4コアファイバ（4CF）の試作を行った。各スパンのファイバ長は60.2km、非結合型4CFの伝搬損失及びコア間クロストーク（XT）は0.156dB/km及び-57.3dB/span以下、結合型4CFの伝搬損失及び空間モード分散（SDM）は0.155dB/km及び7.1ps/√kmであり、極めて低損失で低XT、低SMDな長尺の標準外径4CF（60.2km×4スパン）の開発に成功した。次に、試作
した非結合型または結合型の 4CF（4 スパン）、ファイバの入出力デバイスである FIFO（Fan-in/Fan-out）デバイス、2×2 光スイッチ、C 帯光アンプ、利得等化用の C 帯波長選択スイッチから構成される 4 スパン周回伝送用の評価システムを構築した（図 3.1.1.1）。

まず、大規模波長分割多重（WDM）信号を用いた3,120 km伝送実験を実施した。変調多値度を最適化し伝送容量を最大化するためにPS（Probabilistic shaping）-QAM信号技術を適用することで、結合型4CFにおいては、25 GHz間隔の24 Gbaud 152WDM偏波多重（DP）-PS-16QAM信号を伝送し、ファイバ1心あたり85.2 Tb/sの伝送容量を、非結合型4CFにおいては、25 GHz間隔の24 Gbaud 190WDM DP-PS-16QAM信号を伝送し、ファイバ1心あたり109.3 Tb/sの伝送容量を達成した。これらの結果は、目標であるケーブル総容量240 Tb/s以上（4ファイバペアを想定した場合は60 Tb/s/心以上）、伝送距離1,000 km以上を大きく上回る値である。

さらに、太平洋横断級の伝送距離である9,150 kmにおいても検証を行った。結合型4CFにおいては、25 GHz間隔の24 Gbaud 152WDM DP-QPSK信号を伝送し、ファイバ1心あたり50.47 Tb/sの伝送容量を、非結合型4CFにおいては、25 GHz間隔の24 Gbaud 187WDM DP-QPSK信号を伝送し、ファイバ1心あたり63.17 Tb/sの伝送容量を達成した。以上の結果より、当初の目標であった1,000 kmの伝送距離を大きく上回る9,150 kmでの伝送評価を実施し、太平洋横断級の伝送可能性についても明らかにした。

また、結合型マルチコアファイバ（MCF）においては、ファイバ中に生じるコア間の結合を補償するために、計算負荷の大きいMIMO信号処理（DSP）が必要であるため、実用化に向けては、そのMIMO DSPのリアルタイム化が重要な課題である。そこで、FPGAボードを用いて、リアルタイムMIMO DSPを試作し、結合型4CFを用いたリアルタイム伝送実験を行った。16WDMの5サブキャリア多重2.048 Gbaud DP-QPSK信号を大洋横断級である7,200 km伝送し、試作したリアルタイムMIMO DSPにより復調可能であることを確認した。本結果により、結合型MCFのリアルタイム長距離伝送が可能であることが示された。

図3.1.1.1 マルチコアファイバを用いた4スパン周回伝送評価システム

上述の検証結果を踏まえ、課題間で連携し、本プロジェクトとしてのマルチコアファイバ光海底ケーブルシステムの骨子を明確化した。図3.1.1.2に、マルチコアファイバを用いた光海底ケーブルシステム
骨子を示す。2018年のプロジェクト開始時においては、早期商用化を意識し、既存ケーブル・中継器構造を踏襲し、マルチコア化によるケーブル容量の拡大を示すため、①既存光海底ケーブルシステムであるFASTER（10 Tb/s×6FP=60 Tb/s）のケーブル容量の5倍に相当する320 Tb/s以上、かつ②アジア域での使用を想定し3,000 km以上の伝送距離の2つを目標に設定した。近年は、1心当たりの容量増加は頭打ちとなり、FP数を増やしてケーブル容量を最大化する手法が主流となりつつある。

本プロジェクトにおける検証結果を考慮すると、早期実用化に向けては、複雑なMIMO信号処理が不要である標準外径の非結合型マルチコアファイバを用いた光海底ケーブルシステムが有力であると考えられる。課題全体において、非結合4コアファイバ1心で109.3 Tb/sかつ3,120 kmの伝送可能性、4コアを16FP分実装可能な光海底ケーブルの開発、19コアEDFA中継器の小型化（現行の1/2以下）を実証した。したがって、ファイバペア数の制限要因が電力制限ではなくスペース制限であるアジア域（3,000 km～）での光海底ケーブルシステムにおいて、当初の目標を大きく上回る109.3 Tb/s×16ファイバペア=1.748 Pb/sのケーブル容量の実現可能性を実証した。

対象：アジア域の光海底ケーブルシステム

FP数増大の制限要因：スペース制限（電力制限でない距離）現状上限16～24FP

図 3.1.1.2 マルチコアファイバを用いた光海底ケーブルシステム骨子

## ア-a-2）マルチコアファイバ伝送方式における光雑音処理に関する技術開発（東北大学）

導波音響波型ブリルアン散乱（Guided Acoustic Wave Brillouin Scattering: GAWBS）に起因した位相雑音がマルチコアファイバを用いた多値 QAM 伝送特性に及ぼす影響を解析し、その雑音の影響により 10,000 km 級の太平洋横断伝送時には QAM 信号の多値度を 64 値（6 ビット/ンンボル）以上に上げられないことを明らかにした。すなわち信号多値度を 5 ビット/ンンボル以内に設定するのが適切であるといった変調方式の指針を示した。具体的には KDDI 総合研究所が長距離伝送実験に使用した 4 コアファイバ中の GAWBS 雑音特性を実測および数値解析し、その位相雑音の大きさが通常の単一コアファイバと同程度であることを示した。また、その位相雑音の分布はガウス分布に従うこと、および雑音電力はファイバ長に比例の関係にあることを実験解析し、その結果をもとに伝送距離をパラメータとして GAWBS 位相雑音が光位相を用いたコヒーレント QAM 伝送に及ぼす影響を数値解析した。その結果、64 QAM-10,000 km 伝送時には GAWBS 位相雑音の影響により符号誤り率が 1 x 10^{-2} を超える関係にあることがわかった。このことから、20 %オーバヘッドの FEC を用いることを前提とした際に GAWBS 雑音の影響の観点から許容できる信号多値度は 5 ビット/ンンボルであることを明らかにした。

また、マルチコアファイバ中で生じる GAWBS 位相雑音について、そのスペクトル形状ならびに各コアで生じた雑音間の相関強度といった雑音特性の詳細を解析し、マルチコアファイバ伝送時における
GAWBS 雑音補償法に関わる有益な知見を得た。まず通常の単一コアファイバと異なり R_{0,m} 音響モードの影響は小さく、それに代わり多数の高次 TR_{n,m} 音響モードが問題になることを明らかにした。また、高次 TR_{n,m} 音響モードによる位相雑音の大きさはコアの位置によって強く依存するため、マルチコアファイバの各コアで生じた GAWBS 雑音は互いに相関が弱いことを明らかにした。すなわち、あるコアで検出した雑音情報を他コアの補償に適用することは困難であり、各コアに対し独立にその補償回路を構成する必要があることを明らかにした。

さらに、長距離伝送時に問題となる GAWBS 位相雑音ならびに WDM チャネル間の相互変調雑音に対する補償技術を開発し、1.2 dB の Q 値の改善効果を示すとともに、長距離伝送時において光ファイバ伝送路中の波長分散がその補償効果に及ぼす影響を明らかにした。具体的には、原理実証実験として 60 ch の WDM 256 QAM-160 km 伝送実験を行い、同時に配信したトーン信号で検出した各種位相雑音の情報をもとに各 WDM チャネルに付与された同雑音を相殺する逆位相変調法を確立した。また、長距離伝送時においてトーン信号と WDM 信号の間に生じる波長分散に起因した群遅延がその雑音補償効果に及ぼす影響を実験および数値解析した。その結果、3000 km 以上の長距離伝送時にはその群遅延量を低減するために両信号の周波数差を 10～20 GHz 程度に狭めることが重要であることがわかった。このことから残留キャリアをトーン信号として利用する OFDM 変調方式が精度の高い雑音補償を実現する上で有効であることを明らかにした。

以上の研究成果に対し査読付き誌上発表論文9件、査読付き口頭発表論文12件の実績を得た。

#### 3.1.2 空間多重型光ファイバの評価技術検討

空間チャネルの損失均一性およびチャネル間結合を測定評価する基本技術、および、評価結果に基づき、ケーブル化されたファイバの伝送性能の予測を可能にする基本技術を確立する。

## ア-b-1）透過型測定による空間多重型光ファイバの評価技術（住友電工）

損失均一性に相当するモード依存損失(MDL: Mode Dependent Loss)、チャネル間結合に相当するクロストーク(XT: Crosstalk)を測定する測定系を開発し、コア数4以上、長さ60km以上のマルチコアファイバ(MCF: Multi-Core Fiber)を測定できることを実証した。本測定系を用いてファイバおよびケーブルの測定を行い、ファイバでの測定結果からのケーブル性能の予測を検証した。各項目の詳細内容を以下に記載する。

開発した測定系の外観を図3.1.2.1(a)に示す。MDL測定に関しては、既知のMDLを生成するMDLエミュレーターを作成し、エミュレーターを対象として測定を行った。その結果、図3.1.2.1(b)に示すように、エミュレーターで生成したMDLに±15%の相対標準偏差で一致する値が測定値として得られ、測定が妥当であることを確認した。また、長さ6～98km、コア数4の結合型マルチコアファイバ(C-MCF:Coupled-core MCF)のMDLを測定可能であり、ファイバのMDLが十分に低く実用的であることも併せて実証した。

XT 測定に関しては、課題ア-b-2 および課題イ-b と連携し、ケーブル化された 60km のコア数 4 の非結合型マルチコアファイバ(U-MCF: Uncoupled-core MCF)を対象としてクロストーク測定を行ない、図 3.1.2.1(c) に示すように、本方式(波長掃引法)と OTDR 法による測定値が 1dB 以内で一致し、測定が妥当であることを実証した。

ケーブル性能予測に関しては、U-MCFのXTに関して、ファイバでの測定値およびXTの曲げ半径依存性の理論モデルを用い、ケーブル内でのファイバの蛇行を考慮して曲げ半径を200～500mmと仮定すると、図3.1.2.2(a)に示すように、XTの予測値がケーブルでの実測値に整合することを示した。また、
C-MCF に関して、MDL はファイバ状態依存性が小さく、ファイバ状態とケーブル状態で有意な差が見られなかったため、モード分散に関して検討し、図 3.1.2.2(b) に示すように、ファイバ曲げ半径依存性の理論モデルからの予測値とケーブルでの実測値が整合することを示した。また、C-MCF ケーブルにおいても U-MCF ケーブルと同様にケーブル内でのファイバの蛇行を考慮して曲げ半径を 200～500mm と仮定すると上記のように予測値と実測値が整合することから、曲げ半径の想定も妥当であると考えられる。

以上の成果により、透過型測定を用いて U-MCF および C-MCF の XT、MDL を測定し、ケーブル性能を予測する技術を実証した。

(a)

(b)

(c)

図 3.1.2.1 (a) 開発した測定系、(b) MDL エミュレータによる MDL 測定検証結果、および(c) OTDR 法を比較対象とした XT 測定検証結果。

(a)

図 3.1.2.2 (a) 非結合型 4 コアファイバのケーブル化後のクロストークの予測値および実測値、(b) 結合型 4 コアファイバのケーブル化後のモード分散の予測値および実測値。

## ア-b-2）OTDRによる空間多重型光ファイバの評価技術（東北大学）

時間領域光リフレクトメトリ（Optical Time Domain Reflectometry: OTDR）を用いたマルチコアファイバのコア間モード結合特性の評価システムを開発し、被測定光ファイバの片側の端面での測定が可能な実用性の高い評価技術を確立した。

まず4チャネルの同期測定が可能なマルチチャネルOTDR装置を用いてKDDI総合研究所が長距離伝送実験に使用した長さ60 kmの結合および非結合型4コアファイバのモード結合特性評価を実施した。結合型マルチコアファイバにおいては、パルス励振したコアから他の3つのコアへ同レベルで光結合し、かつそのモード結合量が60 kmのファイバ全域に亘り一様に分布していること明らかにした。このことから本ファイバはその構造に高い一様性を有していることを実証した。一方、非結合型4コアファイバに対しては、ファイバ中のモード結合量が隣接コア間で約-50 dB、対向コア間で約-65 dBと低く、長距離伝送に適した良好な特性を有することを確認した。

つぎに NEC が試作した非結合型 4 コアファイバケーブルの特性評価を実施した（図 3.1.2.3 参照）。
80 dB 以上の高い測定感度の条件のもと長さ 60 km の 4 コアファイバケーブル中の微小なモード結合量の長手方向変化を評価した。そして、4 コアファイバを含めた部品毎（Fan-in/out）のモード結合量を分離して測定できることを実証した。さらに、住友電気工業が実施した透過光を用いたクロストーク特性の結果との良好な一致を得た。このことから両測定法による評価結果の有効性を実証した。

片端測定が可能な本 OTDR 法は敷設されたマルチコアファイバ伝送路のモード結合特性の評価が可能であり、空間多重伝送システムの管理用ツールとしての応用が期待できる。

可搬型マルチチャネルOTDR装置

(a) モード結合特性の評価系

(b) コア間におけるモード結合量の長手変化

特性の評価結果の一例

(c) コア間クロストーク量の透過法による評価結果との比較

図 3.1.2.3 OTDR 法を用いた 4 コアファイバケーブルのモード結合特性の評価結果

#### 3.1.3 空間多重型光中継器の方式検討

効率的な励起技術を開発し、コア当たりの消費電力が現行のシングルモードファイバ用増幅器に匹敵する増幅技術を確立する。

## ア-c-1）高効率マルチコア光増幅技術（古河電工）

クラッド励起型マルチコア増幅器の検討においてマルチコアＥＤＦの特性改善と励起技術の改善の２つの技術に取り組んだ。マルチコアＥＤＦの特性改善としてはクラッド内に散乱体を設けて励起光の散乱を促す構成を実現した。励起技術の改善では信号伝搬方向の双方向化に取り組んだ。

ファイバの改善として行った散乱体付与として、クラッド内に気泡を配置する取り組みを行った。マルチコアＥＤＦ内において励起光はマルチモード伝搬している。しかし、積極的なモード多重は行われず、ほとんどの光パワーは一定のモードにて伝搬することとなる。光ファイバ全体を伝搬する励起光がコア内の信号光に作用して増幅を行うが、この相互作用もマルチモードとして伝搬している励起光パワーの一部のモードのみが使用され、減衰していくことになる。励起に寄与していないモードが散乱体の存在により励起可能なモードへ変換されれば励起効率が増大されることとなる。実際に試作でマルチコアＥＤＦ中に気泡を混入させたところ励起効率の上昇が確認された。
クラッド一括励起方式において励起効率はクラッド径と相関があり、クラッドの断面積の縮小に比例して励起効率が増大する。これはクラッド内の平均励起光パワーと励起効率が呼応しているためである。マルチコアＥＤＦのクラッド径を縮小するためには各コア間距離（コアピッチ）を低減させる必要がある。しかし、コアピッチの縮小はクロストークの増大と直結しているため、コアピッチ縮小によるクラッド径縮小には限界がある。一方クロストークは信号の伝搬方向依存性があり、逆方向に信号を伝搬させたコアからのクロストークは実質受けない。このため隣接コアを伝搬する信号の伝搬方向を逆向きにすることによりコアピッチを拡大せずにクロストークを低減する技術の確認を行った。この結果、増幅特性に悪影響なく、クロストークが半減できることが分かった。この技術の適用により、マルチコアＥＤＦのクラッド径縮小、さらには励起効率増大の見通しが確認された。

図 3.1.3.1 に双方向伝搬に加え励起光リサイクル技術を適用した効率化の例を示す。励起光リサイクル技術はすでに実績のあり、マルチコア EDF のクラッド内で消費しきれなかった残留励起光を回収し、再入力することにより、励起効率を高める技術である。この2つの技術を合わせて活用することにより、効率的に利得効率をあげる取組も実証できた。

図 3.1.3.1 双方向伝搬、ポンプリサイクルの適用

## ア-c-2）結合型マルチコア光増幅システム技術（NEC）

結合型 7 コア光増幅器、および、より実用化に近い結合型 4 コア光増幅器の試作を行った。コア毎の出力レベルを安定化させるために、励起光を入力するファイバにクロストークが少ないものを使用する増幅器の構成とした。次に、コア毎の励起光制御を可能にするために、図 3.1.3.2 のように 1 コアあたり 5ms の高速なモニタを実現し、コア内時間変動を 0.6dB 以下(目標は 3.0dB 以下)を実現した。

図 3.1.3.2 結合型 4 コア光増幅システム構成

図3.1.3.3 時間安定性能とボーレートの関係

図 3.1.3.2 は構築した結合型 4 コア光増幅システムの構成図であり、図 3.1.3.3 はその時間安定性を測
定したものである。図 3.1.3.3 の横軸は光信号の Baud Rate で、縦軸が光増幅器のゲイン変動である。この図から、4GBaud の光信号であれば 0.9dB 以下、現在の一般的なシステムで用いられている 32GBaud 以上であれば 0.5dB 以下を実現し、当初目標であった結合型光増幅器において、増幅コア毎に出力レベルを±1.5dB 以内に安定化させることを実現した。

### 3.2 マルチコア要素基盤技術開発

#### 3.2.1 空間多重型高密度デバイス基盤技術

アイソレーター・カプラ等の複数機能デバイスを統合した2つ以上の機能を有する基本デバイス技術を確立し、システムの小型化・高性能化を実現するとともに、コア径・コアピッチに依存せず使用可能な汎用性の高いデバイス技術を確立する。また、多数空間チャネルによる高入力パワーに耐える低損失デバイス技術を確立する。

## イ-a）空間多重型高密度デバイス基盤技術（オプトクエスト）

本研究によって2つ以上の機能を有する複合機能デバイスとして表3.2.1.1に示す4種のデバイスを開発した。それぞれのデバイスはシステムの小型化・高性能化を実現する指標として挿入損失1.0dB以下、サイズ比率1.5倍以下を掲げて開発を進めて、その目標を達成した。表3.2.1.2にそれぞれのデバイスの目標値に対する具体的な特性を示した。研究初期において2つのマルチコアファイバを隣接させて搭載する2芯マルチコアファイバアレイ構造を新たに開発して小型化を実現し、アイソレーター（ISO）内蔵TAPデバイスを検討した。また、後期においてはその派生として3種のFan-IN/OUT機能を有する複合機能デバイスを検討した。これらのデバイスは単レンズを用いることによりコア径・コアピッチに依存しない構造とし、初期に検討したISO+TAPデバイスでは5コアMCFを用いて試作評価を行い、後期3種類の複合機能デバイスでは4コアMCFを用いてそれぞれ所望の特性が得られることを確認した。高入力パワーに対する耐性に関する研究としては、ハイパワー入力時のファイバ発熱のメカニズムを明らかにし、問題を解決するための手段としてファイバ保持部の熱を拡散する構造とすることでこれまでの構造に比べて発熱を大幅に低減することを確認し、最大1.5W/coreを複数コアに同時に入力する1時間の通光試験に耐えることを示した。

更に本研究では新たな生産技術として IR カメラを用いた光学調心技術を開発し、空間結合型デバイスのデメリットとして指摘される製造時間を従来工法と比較して 23% 削減することに成功した。
表3.2.1.1 開発した4種の複合機能デバイスの概要と内部構成および外観写真

1) ISO+TAPデバイス	内部構成	Sig IN→2-MCF Array→Sig OUT	BS→ISO→MCF	Lens2→Monitor→MCF
アイソレータ機能とTAPモニタ機能を複合化したデバイス。小型化のための2芯MCF構造やMCF種に依存しない特性を確認した開発初期のデバイス。後継となる2)～4)のデバイスの礎となった。	外観写真	外観写真	外観写真	外観写真
2) FIFO+ISOデバイス	内部構成	Lens1→SMF bundle	Lens2→MCF	外観写真
アイソレータ機能とFIFO機能を複合化したデバイス。空結型FIFOの空間光路中にISOを搭載して複合デバイス化した。
3) Fan-OUT内蔵TAPデバイス	内部構成	外観写真	外観写真	外観写真
ファンアウト機能とTAPモニタ機能を複合化したデバイス。2芯MCFアレイによる小型化構造とバンドルファイバとで構成した。
4) O/E変換器内蔵TAPデバイス	内部構成	外観写真	外観写真	外観写真
TAPモニタ機能とO/E変換機能とを複合化したデバイス。2芯MCFアレイによる小型化構造サブマント型PDの採用による汎用性の高いモニタデバイス。

表3.2.1.2 実現した各デバイスの目標値に対する特性

損失 (平均値 / 3σ 值 / 平均 +3σ) (目標値 : 1.0dB 以下)	サイズ比率 (目標値 : 1.5 倍以下)
1) ISO+TAP デバイス	0.65dB / 0.14dB / 0.79dB	1.06 倍
2) FIFO+ISO デバイス	0.29dB / 0.41dB / 0.70dB	0.50 倍
3) TAP+FO デバイス	0.52dB / 0.27dB / 0.79dB	0.76 倍
4) O/E 変換器内蔵 TAP デバイス	0.15dB / 0.16dB / 0.31dB	0.35 倍

#### 3.2.2 マルチコアファイバケーブルシステムの基盤開発

フィールドに導入可能なケーブル面積及び15kVの給電上限を考慮したマルチコアファイバケーブルシステムの設計技術を開発する。ケーブル総容量320Tbpsの長距離大容量伝送システム技術を確立する。試作する中継器では、部品点数の削減を通じて、ケーブル実装の可能性を示す。また、短距離ケーブルの試作評価によりアーb)で確立するファイバ性能予測技術の妥当性を実証するとともに、ケーブルの性能評価指標を明確化する。

## イ-b）マルチコアファイバケーブルシステムの基盤技術（NEC）

今までのシングルコアファイバでは存在しないマルチコアファイバ特有のクロストークを考慮したGOSNR（Generalized optical signal-to-noise ratio）の検討やマルチコア光増幅器のセルフヒーリング効果を明らかにし、図3.2.2.1に示すように非結合型および結合型の4コアファイバケーブルの試作を行
った。それにより、17mm ケーブルに最大で16ファイバペア（コア数で言えば、4 コア×16 ファイバペア×2=128 コア）のマルチコアファイバが収容可能であることを実証した。

図 3.2.2.1 試作した非結合型マルチコアケーブル

図 3.2.2.2 試作したマルチコアゲインブロッ

また海底ケーブルシステムの中継器の小型化に関しては、中継器の主要な役割でもあり体積の多くを占める光増幅機能（ゲインブロック）に着目しその小型化を検討した。マルチコアファイバシステムの場合コア数に比例して光増幅器が必要となるが、マルチコアに対応した部品の開発・使用、および、接続関係を考慮した部品の最適配置などにより、現行収容スペースの1/2を実現した(図3.2.2.2)。さらに課題アーカーと連携し、試作した非結合型/結合型マルチコアケーブルを用いて、その性能予測技術の妥当性を検証した。

## 4 政策目標（アウトカム目標）の達成に向けた取組みの実施状況

ケーブルオーナである Google 社と意見交換を行う（NEC 社、住友電工社も参加）と共に、招待講演やポストデッドラインペーパを含む国際会議（OFC、ECOC、OECC 等）での発表、海底ケーブルシンポジウムでのキーノート講演、論文誌への投稿・採録を通じて、プロジェクトの重要性の積極的な社外発信を行った。また、国際標準化活動の一環として、関連する NICT 委託研究プロジェクトとも協力して、ITU-T SG15 において空間分割多重用光ファイバケーブルの技術レポートの作成を進めた。具体的には、空間多重技術の検討背景、適用領域、空間多重光ファイバ、ケーブル及び関連部品の分類等について、技術レポートの修正および新規コンテンツの追加を提案し承認された。以上より、マルチコアファイバ技術を含む次世代光海底ケーブルシステムの実用導入検討を計画通りに促進した。（KDDI 総合研究所）

東北大学が担当した技術開発は、KDDI 総合研究所（空間多重型光ファイバの方式検討）ならびに住友電気工業（空間多重型光ファイバの評価技術検討）が担当する研究課題を補助するものである。

空間多重型光ファイバの方式検討において、KDDI 総合研究所が実施する長距離ファイバ伝送時に問題となる GAWBS 位相雑音の実験および理論的解析が順調に進み、本雑音がデジタルコヒーレント伝送に及ぼす影響について有益な知見を得ている。研究開発は計画通り進んでいる。

空間多重型光ファイバの評価技術検討においては、最終目標であったケーブル化したマルチコアファイバのOTDR法によるモード結合特性評価を実施し、住友電気工業による透過光を用いた評価結果との測定値の良い一致を得た。これにより両者の開発した評価技術の有効性を実証するとともに、住友電気工業の方
式では測定が困難であった、モード結合量のファイバ長手方向分布特性の評価を補うことに成功している。（東北大学）

マルチコアファイバ技術開発に加え、伊ラクイラ大学らと共同での世界初の陸上敷設実証を行ない、大容量伝送が可能であることを実証した。これらの成果を情報発信することでマルチコアファイバ技術の実用化に向けた議論を活性化させた。(住友電工)

海底中継器にて使用可能な増幅器への取組として増幅器サイズの小型化をはかった。アウトプット目標では増幅器としての性能を重視した取り組みを行ってきたのに対し、実用化に向けては海底ケーブル用中継器内で収容可能な小型増幅器の開発を進めた。現時点で、通常のシングルコア増幅器に対して半分のサイズとすることができることを実証しており、今後の部品集約化などにより更なる小型化が進む見通しを立てた。

知財確保に向けて積極的に取り組み、増幅媒体としてのマルチコアＥＤＦの最適化、励起光導入などの特許出願を行った。今後の権利化活動も積極的に取り組んでいく予定である。（古河電工）

NEC は本研究開発で得られた成果を光ファイバ通信の業界では著名な学会である OFC や ECOC で重ねて発表するとともに、海底ケーブルのサプライヤとして Google などの顧客との議論を通じた市場要求の反映とプロモーションを行った。（日本電気）

開発したデバイスを潜在顧客にアピールするために国内外の研究学会での技術成果発表や展示会での製品展示を行っており、また本開発品のサンプル出荷が可能な体制を構築し、対外顧客へ告知する弊社ホームページ上での記事掲載も行い今後の製品の上市を目指している。関連製品の知財に関しては、特許としてデバイスの特性を維持するための基本構造に関するものや生産技術に関する申請を行っており、競合他社に対する参入障壁として機能するよう配慮した知財戦略を行っている。（オプトクエスト）

## 5 政策目標（アウトカム目標）の達成に向けた計画

本研究開発を通して得た知見を次世代光海底ケーブルシステムの骨子技術とし、具体的なケーブルシステム建設計画検討へと進められるよう、伝送技術面およびその周辺必須技術開発支援、加えて建設・運用保守面での課題解決を促進する。（KDDI 総合研究所）

2022 年度～：接続・敷設・運用保守技術等の周辺必須技術開発の推進

$$ マルチコアファイバ・ケーブルの標準化推進 $$

$$ 伝送品質に関するケーブル受け入れ条件要素の検討・明確化 $$

$$ 2025 年以降 : マルチコアファイバケーブルシステムの導入 $$

空間多重型光ファイバの方式検討に関して、プロジェクト終了後も引き続き数1000 kmの長距離伝送時の光雑音補償回路の改良を図り、低雑音化に最適な変調方式をKDDI総合研究所へフィードバックする。空間多重型光ファイバの評価技術検討においては、可搬型の実用性の高い測定装置を実現した。得られた研究成果を学会報告し、その有用性をアピールしていく。（東北大学）
海底通信向け低損失マルチコアファイバ技術開発や、陸上での敷設マルチコアファイバの実証に取組み、成果を対外発表して導入に向けた議論の活性化を図る。また、マルチコアファイバ技術に関する標準化議論に参加し、標準化に向けた合意形成に貢献する。(住友電工)

これまでに取り組んできた、増幅器の省電力化、小型化及び知財活動を継続していくとともに、各部品の信頼性検証を行い、海底用中継器として適用可能な増幅器として商用化可能とする活動へと展開していく予定である。さらに、出願済特許の権利化と継続開発により必要となれば追加出願も行い、商用化を進めていく。(古河電工)

NEC は海底ケーブルシステムのサプライヤとして、1) 顧客、市場へのプロモーション、2) マルチコア海底ケーブル、マルチコア海底中継器の量産化技術の確立、3) マルチコア融着技術、ケーブル建設、保守、メンテナンスにかかわるマルチコア周辺技術の確立に取り組み、マルチコアファイバ海底ケーブルの事業化を進める。（日本電気）

今後は研究成果で実現したデバイスのサンプル出荷を通して市場投入を実施し、同様に潜在顧客にアピールするため広く展示会での製品展示を行っていく予定である。その中から多くのユーザーからの要望を抽出し、本委託研究で得られた基本技術をベースに更なる機能デバイスの開発も実施していく予定である。また、完成度をさらに高めるため構造や製造工程の見直しを実施し、量産可能な製品を目指した取り組みを継続していく。（オプトクエスト）
## 6 査読付き誌上発表論文リスト

[1] M. Yoshida, N. Takefushi, K. Kasai, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “Suppression of large error floor in 1024 QAM digital coherent transmission by compensating for GAWBS phase noise,” Optics Express, Vol. 27, No. 25, pp. 36691-36698 (2019年12月)

[2] N. Takefushi, M. Yoshida, K. Kasai, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “Theoretical and experimental analyses of GAWBS phase noise in various optical fibers for digital coherent transmission,” Optics Express, Vol. 28, No. 3, pp. 2873-2883 (2020年2月)

[3] Hitoshi Takeshita, Masaki Sato, Yoshihisa Inada, Emmanuel Le Taillandier de Gabory, Yuichi Nakamura, "Past, Current and Future Technologies for Optical Submarine Cables," 2019 IEEE/ACM Workshop on Photonics-Optics Technology Oriented Networking, Information and Computing Systems, pp. 36-42 (2019 年 11 月)

[4] Shohei Beppu, Daiki Soma, Seiya Sumita, Yuta Wakayama, Hidenori Takahashi, Takehiro Tsuritani, Itsuro Morita, and Masatoshi Suzuki, "402.7-Tb/s MDM-WDM transmission over weakly coupled 10-mode fiber using rate-adaptive PS-16QAM signals," Journal of Lightwave Technology, Vol. 38, No. 10, pp. 2835-2841 (2020 年 5 月)

[5] Shohei Beppu, Koji Igarashi, Masahiro Kikuta, Daiki Soma, Tomoyuki Nagai, Yasuo Saito, Hidenori Takahashi, Takehiro Tsuritani, Itsuro Morita, and Masatoshi Suzuki, "Weakly coupled 10-mode-division multiplexed transmission over 48-km few-mode fibers with real-time coherent MIMO receivers," Optics Express, Vol. 28, No. 13, pp. 19655-19668 (2020 年 6 月)

[6] N. Takefushi, M. Yoshida, K. Kasai, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “GAWBS phase noise characteristics in multi-core fibers for digital coherent transmission,” Optics Express, Vol. 28, No. 15, pp. 23012-23022 (2020年7月)

[7] M. Yoshida, N. Takefushi, K. Kasai, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “Precise measurements and their analysis of GAWBS-induced depolarization noise in various optical fibers for digital coherent transmission,” Optics Express, Vol. 28, No. 23, pp. 34422-34433 (2020年11月)

[8] T. Kan, K. Sato, M. Yoshida, T. Hirooka, K. Kasai, and M. Nakazawa, “Spectrally efficient pilot tone-based compensation of inter-channel cross-phase modulation noise in WDM coherent transmission using injection locking,” Optics Express, Vol. 29, No. 2, pp. 1454-1469 (2021年1月)

[9] K. Sato, T. Kan, M. Yoshida, K. Kasai, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “Chromatic dispersion dependence of GAWBS phase noise compensation with pilot tone,” Optics Express, Vol. 29, No. 7, pp. 10676-10687 (2021年3月)

[10] Daiki Soma, Shohei Beppu, Yuta Wakayama, Seiya Sumita, Hidenori Takahashi, Noboru Yoshikane, Itsuro Morita, Takehiro Tsuritani and Masatoshi Suzuki, "50.47-Tbit/s Standard Cladding Coupled 4-Core Fiber Transmission over 9,150 km," Journal of Lightwave Technology, Vol. 39, Issue 22, pp. 7099-7105 (2021年11月)

[11] K. Sato, M. Yoshida, K. Kasai, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “GAWBS noise correlation between cores in multi-core fibers,” Optics Express, Vol. 29, No. 26, pp. 42523-42537 (2021年12月)

[12] Shohei Beppu, Masahiro Kikuta, Koji Igarashi, Hiroshi Mukai, Masahiro Shigihara, Yasuo Saito, Daiki Soma, Hidenori Takahashi, Noboru Yoshikane, Takehiro Tsuritani, Itsuro Morita and
Masatoshi Suzuki, “Long-haul coupled 4-core fiber transmission over 7,200 km with real-time MIMO DSP,” Journal of Lightwave Technology, Vol. 40, Issue 6, pp. 1640-1649 (2022 年 3 月)

[13] M. Yoshida, K. Sato, T. Hirooka, K. Kasai, and M. Nakazawa, “Precise Measurements and their Analysis of GAWBS-Induced Depolarization Noise in Multi-Core Fiber for Digital Coherent Transmission,” IEICE Transactions on Communications, Vol. E105-B, No. 2, pp. 151-158 (2022年2月)

[14] Daiki Soma, Shohei Beppu, Yuta Wakayama, Seiya Sumita, Hidenori Takahashi, Noboru Yoshikane, Itsuro Morita, Takehiro Tsuritani, Masatoshi Suzuki, “Trans-Pacific class transmission over a standard cladding ultralow-loss 4-core fiber,” Optics Express, Vol. 30, Issue 6, pp. 9482-9493 (2022 年 3 月)

[15] Manabu Arikawa, “Long-Haul WDM/SDM Transmission over Coupled 4-Core Fiber with Coupled 4-Core EDFA and Its Mode Dependent Loss Characteristics Estimation,” Journal of Lightwave Technology, Vol. 40, No. 6, pp. 1664-1671 (2022 年 3 月)

[16] K. Kasai, T. Kan, M. Yoshida, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “Broadband injection-locked homodyne receiver for digital coherent transmission using a low Q Fabry-Perot LD,” Optics Express, Vol. 30, Issue 8, pp. 13345-13355 (2022年3月)

## 7 査読付き口頭発表論文（印刷物を含む）リスト

[1] M. Yoshida, N. Takefushi, M. Terayama, K. Kasai, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “Reverse Phase Modulation Technique for GAWBS Noise Error Floor Elimination in 1024 QAM-160 km Digital Coherent Transmission,” OptoElectronics and Communications Conference (OECC) 2018, 4B1-3 (2018年7月2日～6日)

[2] K. Kasai, Y. Wang, S. Okamoto, M. Yoshida, and M. Nakazawa, "200 Gbit/s, 10 Gsymbol/s-1024 QAM Injection Locked Coherent Transmission over 160 km with a Pilot-Assisted Adaptive Equalizer," OptoElectronics and Communications Conference (OECC) 2018, 4B1-4 (2018年7月2日～6日)

[3] T. Kan, K. Kasai, M. Yoshida, T. Hirooka, and M. Nakazawa, "50.4 Tbit/s, 128 QAM L-band WDM Injection Locked Coherent Transmission over 160 km with Spectral Efficiency of 10.5 bit/s/Hz," OptoElectronics and Communications Conference (OECC) 2018, 5B3-3 (2018年7月2日～6日)

[4] 别府翔平、相馬大樹、高橋英憲、釣谷剛宏，“MIMO capacity analysis for the MMSE detection in strongly-coupled SDM systems,” International Symposium on Extremely Advanced Transmission Technologies (EXAT) 2019, P-22（2019年5月30日）

[5] エルソン ダニエル、高橋英憲、釣谷剛宏,"On the effect of back propagation bandwidth on nonlinear compensation in multicore fibres," International Symposium on Extremely Advanced Transmission Technologies (EXAT) 2019, P-27（2019年5月30日）

[6] 相馬大樹、別府翔平、角田聖也、若山雄太、釣谷剛宏、森田逸郎、鈴木正敏，“402.7-TB/S WEAKLY-COUPLED 10-MODE-MULTIPLEXED TRANSMISSION USING RATE-ADAPTIVE PS PDM-16QAM WDM SIGNALS,” European Conference on Optical Communication (ECOC) 2019, W.2.A.2 (2019 年 9 月 25 日)