世界最高密度の光ファイバを実用に耐えうる信頼性で実現 ～従来の光ファイバの100倍以上となる伝送容量で、ハイビジョン映画数千本の情報を1秒で転送可能に～

研究の背景

平成26年版の情報通信白書^※3によると、日本のデータ通信容量は2013年11月時点で毎秒2.5テラ・ビット［2.5 Tbit／s］（テラは10¹²でペタの1000分の1）を超え、2020年代の後半には100テラ・ビットを上回るデータ通信需要が生じるものと予想されています。そして同時期に、既存の光ファイバ（1種類の光（モード）を伝搬可能な1つの光の通り道（コア）を有します）の伝送容量限界が顕在化すると懸念されています。したがって、2020年代には光ファイバの本数そのものを増やすことが必要になりますが、光ケーブルに収納可能な光ファイバの数にも上限があり、光ケーブルを収納する空きスペースが無い場合には、地下や屋内の光配線設備から構築しなおす必要が生じます。
　このため、1本の光ファイバでより多くの情報を伝送することを目指し、1本の光ファイバの中に複数のコアを配置したマルチコア光ファイバや、1つのコアの中に複数のモードを導波可能なマルチモード光ファイバを用いるなど、1本の光ファイバ内により多くの情報を伝送できる空間多重伝送により、既存光ファイバの伝送容量限界を打破しようとする研究開発が世界的に推進されています。しかし、実用的に利用可能な光ファイバ直径の上限や、コアの屈折率分布^※4の制御性の問題を考慮すると、コア数を増やすだけ、もしくはモード数を増やすだけでは、光ファイバ1本で50を超える情報経路（チャネル）を実現することは現実的に困難でした。そこで、NTT、フジクラ、北大（情報通信フォトニクス研究室）は、コア多重（マルチコア）とモード多重（マルチモード）のベストミックスにより、実用的に利用可能な光ファイバ1本で100以上のチャネルを多重可能にする光ファイバの研究開発を進めてきました。

今回の研究概要とその成果

今回の研究では、

• 「100以上のチャネルを有する光ファイバの設計指針の明確化」
• 「設計指針を踏まえ、大容量伝送に適した特性を持つ光ファイバの作製・評価」
• 「最新の光伝送技術を用いた大容量伝送への適用性の検証」

を行い、以下の2点を成し遂げました。

<1>陸上光伝送路に適用可能な250µm未満の光ファイバ直径で、114チャネル（＝6モード×19コア）を多重することが可能となり、ペタからエクサ・ビットの超大容量伝送に対応可能な光ファイバ技術をより実用に近いレベルに高めることができました。

<2>114全てのチャネルで優れた低損失性と均一性（光の通り道によって伝送特性が大きく変化しないこと）を実現し、最新の大容量伝送技術を用い、作製した光ファイバがペタ・ビット級の光伝送へも適用可能であることを明らかにしました。

以上の結果により、将来の実用性を有する世界最高密度の光ファイバを実現することができました。

研究の詳細

1．光ファイバの設計指針

NTTではこれまでに、光ファイバの直径を250µm以下とすることにより、既存の陸上光伝送路と同等の半径15～30mmの曲がりを付与しても、20年以上に渡り使用可能な光ファイバが実現できるという知見を得ていましたが、それを今回改めて実験し確認しました。そして、NTTと北大は、250µm以下の光ファイバ直径で100以上のチャネルを多重するため、3および6種類の光（モード）を伝搬可能な光の通り道（コア）の屈折率分布を最適化し、その最適化されたコア構造を用い、コア間の光信号の干渉^※5を十分に抑圧可能な様々なコア配置について検討を行いました。その結果、6モードを導波可能なコアを蜂の巣状に19個配列することで、250µm未満の光ファイバ直径に、世界最大の114チャネル（＝6モード×19コア）を多重できることを明らかにしました。これは、従来の光ファイバ（1種類の光（モード）を伝搬可能な1つの光の通り道（コア）を有します）の60倍以上に相当する世界最高の密度です。

2．光ファイバの作製と評価

上述の設計指針に基づき、長さ8.85kmの光ファイバをフジクラにて作製し、NTTにてその特性を評価しました。全114チャネルの波長1550nmにおける伝送損失は0.24dB／km未満であり、これまでに報告されている6モードを用いたマルチコア光ファイバの中でも最小の伝送損失を実現しました。また、各チャネル間における伝送損失の偏差は0.03dB／km以下であり、極めて均一性の高い高密度光ファイバを実現することができました。更に、複数のモードを同時に用いた光伝送で重要になるモード間伝搬速度差^※6は0.33ns／km未満であり、これまでに報告されている6モードを用いたマルチコア光ファイバの中でも最小の速度差を実現することができました。これは、19個のコアの屈折率分布が高精度に制御されていることを表すものです。

3．大容量伝送への適用性検証

NTTは、作製した114チャネルを有する光ファイバが、実際の超大容量伝送への適用性を有するか否かを確認するため、最新のQAMデジタルコヒーレント伝送技術^※7と、入射端で114のチャネルに異なる光信号を合波し、出射端で114のチャネルからの光を分波する光ファイバ型のFan-In・Fan-Outデバイスを用い、各チャネルの伝送品質を評価しました。その結果、114全てのチャネルについて伝送限界を上回る良好な大容量伝送が行えることを確認しました。

図3　QAM信号の伝送特性

今後の展望

今回の研究成果は、光ファイバ内の空間（モードとコア）を有効に活用することにより、1本で現在の100倍の伝送容量を有し、数十年の単位で安心して利用できる光ファイバの実現性を示したもので、限られた空間における伝送容量を飛躍的に増大することを可能にします。
　今後も、本光ファイバの2020年代における実用化を目指すとともに、増大し続けるデータ通信需要に持続的に対応可能な光伝送基盤の実現に貢献していきます。

参考・用語解説

^※1光ファイバの直径
　一般に光ファイバの直径が大きくなるとガラスの脆弱性が増大し、光ファイバ自身が折れやすくなってしまいます。このため、既存の光ファイバは半径15～30mmの曲げが加えられた状態でも、20年以上に渡り使い続けられるよう、光ファイバの製造工程で微小な傷を取り除くプルーフ検査が施されています。現在の実用的なプルーフ検査で保証可能な光ファイバの直径の上限は250µm程度になります。

^※2ポストデッドライン論文
　一般論文投稿締め切り後（ポストデッドライン）に受け付けられる論文です。光通信国際会議では、本分野の研究機関が会議直前の最新技術によって光通信技術の最高性能を競い合います。会議期間内に論文選考が行われ、極めて高い評価を受けた研究成果のみが報告の機会を得ることができます。

^※3平成26年版 情報通信白書（総務省）
http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/whitepaper/ja/h26/html/nc255320.html

^※4屈折率分布
　光ファイバはコアの径方向の屈折率の高低を制御することで所望の伝送特性を実現するように製造します。複数のモードを伝搬するマルチモード光ファイバでは、屈折率がコア中心からコア外周部にかけて徐々に減少するように制御する必要があり、モード数の増大に伴いより高精度な屈折率の制御が必要となります。

^※5コア間の光信号干渉
　光ファイバ中を伝搬する光はわずかながらコアの外周に染み出して伝搬していきます。このため、マルチコア光ファイバでは、隣接するコア間の距離が近すぎると各コアを伝搬する光信号間の干渉により伝送品質が劣化してしまいます。

^※6モード間伝搬速度差
　同一のコア内を伝搬する複数のモードの伝搬速度は少しずつ異なるため、光ファイバの出射端では到着時間にばらつきが生じます。このモード間の伝搬速度差が大きくなると、光ファイバの受信端で光信号を復元することが困難になります。

^※7QAMデジタルコヒーレント伝送
　従来の光通信では光のON／OFFと情報の0／1を対応させることが一般的でしたが、QAM（Quadrature Amplitude Modulation：振幅位相変調）デジタルコヒーレント伝送では、光信号電界の2つの独立した成分（I成分とQ成分）をN個の複数のレベルで変調します。これにより、N×Nの多値の信号情報を生成・伝送することが可能となります。