ニュース
NTT、フィールド環境敷設のマルチコアファイバーケーブルで1.6Tbpsの光伝送実験に成功
2023年10月10日 06:30
日本電信電話株式会社（以下、NTT）は5日、フィールド敷設の4コアファイバーを用いて、世界初となるファイバー1心で毎秒1.6テラビット（1.6Tbps）を超える、強度変調直接検波（IM-DD）方式による光信号の空間多重光伝送実験に成功したと発表した。
NTTでは、近年の映像データ流通の爆発的な増加や、クラウドサービスの拡大、5Gサービスの普及などにより、通信トラフィックは今後も増え続けることが予測されており、これに伴って、多数のユーザーからのデータセンターへの膨大なアクセスにより、データセンター内およびデータセンター間におけるトラフィックの増大が見込まれるとしている。
データセンターネットワークでは、データ信号の伝送方式としてイーサネット規格が適用されており、IEEE802.3規格として400Gbpsまでの標準化が完了している。ネットワークトラフィックの増大が著しいデータセンターネットワークに、最新のイーサネット規格にのっとったモジュールが積極的に導入され、規格が成熟するにつれて、より広いネットワーク基盤で使用されるというサイクルが続いている。
次期標準化規格としては、800Gbpsおよび1.6Tbpsのイーサネット規格の議論が開始されている将来の大規模データセンターネットワークには、1.6Tbpsの大容量イーサネットが求められており、これを経済的に実現するためには、既存の規格における伝送距離を維持しつつ、1レーンあたり400Gbpsに高速化し、1つのファイバーかつ少ないレーン数（4レーン）で並列伝送する必要がある。
多くのイーサネット規格では、マルチレーン分配方式により並列伝送を行い、イーサネットの高速化を実現している。例えば、400Gbpsのイーサネット信号の伝送では、1レーンあたり100Gbpsの信号を4つ並列に伝送する。並列化の方法として、複数波長を用いる波長分割多重（WDM）方式や、複数の光ファイバーを用いる（PSM）方式が用いられる。
イーサネットでは、簡易な送受信機構成でデータ信号を伝送する強度変調直接検波（IM-DD）方式を用いることが、経済化の有効な手段として用いられている。また、イーサネットでは、伝送距離として2km、10km、および40kmなどの規格が定められており、将来の大規模データセンターネットワークにおいても、データセンター内およびデータセンター間のイーサネット接続を広くサポートする、10kmの伝送距離が必要となる。
最新のイーサネット標準規格では、1レーンあたり100Gbpsの信号を、シンボルレート約53GBaudで4値のパルス振幅変調方式（PAM4）を用いて、IM-DD方式で実現している。
従来と同じ、PAM4を用いて1レーンあたり400Gbpsに高速化するためには、信号のシンボルレートを200GBaud以上に高速化する必要がある。このような超高速信号を高品質に送信するには、光送受信機内の電気の増幅器（光変調器駆動用のドライバアンプ）の広帯域化が必要となる。
信号の高速化に伴い、光送受信機内および光ファイバー伝送路でひずんだ信号を、受信側で極めて高精度に補償するデジタル信号処理技術も必要であり、従来技術で1レーンあたり400Gbpsの信号を送受信することは困難だった。このような超高速信号では、光ファイバー伝送路で生じる波形ひずみの影響が、シンボルレート（変調速度）の2乗に比例して極めて顕著に表れ、信号品質が著しく劣化するため、既存の光ファイバー1本に、従来方式（WDM方式）のように4つの異なる波長を多重して10kmの伝送を実現することは困難となっていた。
実験では、マルチコアファイバーを用いた空間多重方式を採用することにより、この課題を解決した。具体的には、各コアに1波長を割り当てることで、4コアのコアごとに波長分散の影響を受けにくい波長に設定することを可能とした。さらに、光信号形式を従来の4値（PAM4）から8値（PAM8）に高度化することで、シンボル速度を3/4倍に低減し、合わせて非線形最尤（さいゆう）系列推定信号処理を適用することで、波長分散等による信号波形ひずみを大幅に低減した。
また、実験で用いたマルチコアファイバーは、NTT研究所内の地下設備に4コアファイバーケーブルを敷設することで、実際のケーブル敷設環境を模擬している。4コアファイバーは、既存のファイバーと同じクラッド外径（125µm）を採用し、各コアは既存のファイバーと同じ簡易なステップインデックス型の屈折率構造としているため、量産化に適した構造としている。各コアの光学的な特性は、現在の光ファイバーの国際規格と同等の光学特性を有し、個別のファイバーを用いたPSM方式に比べて各コアの特性ばらつきを低減できた。さらに、10km伝送時における各コア間のクロストーク（隣接コアからの光の漏れ込み量）は、IM-DD方式が用いられるイーサネット標準の1.3µm波長帯域（O帯）において約10万分の1で、光信号伝送に全く影響が出ないレベルに低減できた。
これらの技術により、1レーンあたり400Gbpsの超高速信号を、フィールド敷設マルチコアファイバーを用いて4並列に空間多重伝送し、PAM8方式に非線形最尤系列推定を適用してビット誤り率を低減することで、世界で初めて1ファイバーあたり1.6Tbpsを超える超高速IM-DD信号の10kmにわたる現場環境光伝送実験に成功した。
この技術を用いることで、従来の実用レベルの4倍以上となる大容量化を実現し、将来の大規模データセンターネットワークで利用される、1ファイバーあたり1.6Tbpsを超えるイーサネット信号を高信頼に伝送することが期待されると説明。これにより、クラウドサービスの拡大や5Gサービスの普及などによる、通信トラフィックの爆発的な増加への対応が可能になるとしている。
NTTでは、IOWN/6Gにおけるオールフォトニクスネットワークの実現に向けて、独自のデバイス技術、デジタル信号処理技術、光伝送技術の融合を深化させ、研究開発を進めていくとしている。
