OplusE 2014年7月号（第416号）
- 目次
- 特集のポイント
- 広告索引
特集
空間多重の極限追求を目指す光ファイバー通信技術
- ■空間分割多重を用いた光通信技術の動向
- デンマーク工科大学 盛岡 敏夫
- ■マルチコアファイバー
- 古河電気工業 杉崎 隆一，今村 勝徳
- ■数モード光ファイバー技術
- 日本電信電話 NTT アクセスサービスシステム研究所 山本 貴司，坂本 泰志，森 崇嘉，和田 雅樹，山本 文彦
- ■フューモードファイバーの群遅延特性評価法
- 日本大学*，大阪府立大学**，フジクラ***，柴田 宣*，大橋 正治**，丸山 遼***
- ■フューモード・マルチコアファイバー技術
- フジクラ*，北海道大学**，松尾 昌一郎*，齊藤 晋聖**
- ■マルチコア光ファイバーの接続技術
- 千葉工業大学 長瀬 亮
- ■マルチコア光ファイバーを用いた長距離光伝送技術
- KDDI研究所 釣谷 剛宏，五十嵐 浩司，森田 逸郎
- ■マルチコア・マルチモードを用いた大容量光伝送技術
- 日本電信電話 NTT 未来ねっと研究所 水野 隆之，宮本 裕
- ■空間分割多重用光ファイバーの実用化への課題
- 日本電信電話 中島 和秀
連載
- ■【一枚の写真】科学の目で観る古代壁画
- 情報通信研究機構*，奈良文化財研究所**，文化庁***，福永 香*，高妻 洋成**，建石 徹***
- ■【私の発言】自分が開発したファイバーを標準にできたのは一番うれしかった
- 大阪府立大学 大橋 正治
- ■【第10・光の鉛筆】31 非球面に関する興味ある文献 1 KeplerとDescartes
- 鶴田 匡夫
- ■【波動光学の風景】第108回 110.光ビームの品質
- 東芝 本宮 佳典
- ■【光エレクトロニクスの玉手箱】第17章 半導体レーザーの活躍（その3）
- 伊賀 健一，波多腰 玄一
- ■【4k映像システム開発の歴史と展望】12章 （最終回）温故知新
- 小野 定康
- ■【コンピュータイメージフロンティア VFX 映画時評】
- Dr.SPIDER
- ■【ホビーハウス】ステレオ写真の本（第101回）緊急提言「ステレオ写真を原点から理解しよう！」
- 映像技術史研究家 鏡 惟史
コラム
■Event Calendar■掲示板
■O plus E News／「光学」予定目次
■New Products
■オフサイド
■次号予告
空間分割多重を用いた光通信技術の動向デンマーク工科大学 盛岡 敏夫
1.はじめに
陸上基幹系商用システムのファイバー1本当たりの伝送容量は，過去30年間で，実に2万倍（1983年の400Mbit/sから2013年の8Tbit/s）に増加している。この間，伝送路である光ファイバーは，基本的には，1本のファイバーに一つのシングルモードのコアを有する同じ構造のものを用いてきた。コア径は，10ミクロン程度であり，初期のシステムの1mW程度の光信号パワーですら，既に1kW/cm2を超える高パワー密度を有していた。このように，光ファイバー通信は，本来，微少な領域に光パワーを閉じ込め，伝送する高パワー密度の伝送であり，1989年に光ファイバー増幅器が発明され，1990年代に複数の波長チャネルを多重する波長分割多重（WDM）が導入されると，波長あたりの伝送速度や波長数に比例して，光信号パワーは飛躍的に増加し，自己位相変調，相互位相変調，四光波混合などの光ファイバー中の非線形光学効果が伝送容量，伝送距離の制限要因となってきた。また，光ファイバーには，ファイバーフューズと呼ばれる，熱破壊伝搬現象があり，通常のシングルモードファイバーの伝搬閾値パワーは，1.4Wである。このような光ファイバーへの入力パワー制限により，一つのコア当たりの最大伝送容量は，100Tbit/s程度あることが理論的に示され，いよいよ，今後，20年～30年の通信トラフィック需要に対応できる光通信技術の創出が喫緊の課題となってきた1）～3）。本稿では，この取り組みの一環として， 空間分割多重（SDM：Space-division Multiplexing）を用いた光通信技術について，その必要性ならびに動向を概説する。2.トラフィック増加とSDM
まず，今後，20年～30年で通信トラフィックは，どの程度，増加するのであろうか？地域により差異はあるが，現在のところ，世界平均では，年率約40％増（1.5dB/年）のようである。今後，この傾向がどの期間，継続するかは不明であるが，もし続けば，今後，20年～30年では30dB?45dBの増加になる。これは，前述の過去30年間の商用システムにおける伝送容量増加率の2万倍（43dB）と同レベルである。このようなトラフィックの増加の要因としては，プロセッサの処理速度，メモリ容量，アクセス速度の増加に加え，高精細動画を用いたアプリケーションやスマートフォン，タブレットの普及が考えられる。プロセッサ処理速度の増加の指標としては，HPC（High Performance Computers）のCPU演算速度があり，これは，過去20年間，一定して，年率2.5dB以上で増加している。また，メモリ容量の増加も約1.5dB/年である。アクセス速度は，過去20年間，モバイル，有線，共に2dB/年程度で増加している。特に，光ファイバーアクセスであるFTTH（Fiber To The Home）では，ファイバーとして，基幹系に用いる石英シングルモードファイバーを用いているので，現在のGbit/sレベルから，Tbit/sレベルへの30dB程度の容量増には対応可能であると考えられる。さらに，現在のHD（ハイビジョン）に加え，今後，4K, 8Kなどの超高精細画像を用いた映像アプリケーションの普及や，現在のスマートフォン，タブレットに加え，将来のウェアラブル端末（コンピュータ）の普及は，トラフィックの増加にさらに拍車をかけると予想される。極限として，非圧縮の50インチ3Dホログラフィーには，数100Tbit/sが必要と考えられている。上記で，プロセッサ（マルチコア），メモリ，モバイルアクセスのいずれもが，高密度空間多重技術により高速，大容量化を実現している点は，注目すべきである。現状の光ファイバーの伝送限界の100Tbit/sを超え，Pbit/s?Ebit/sの伝送を実現するには，現在の光ファイバーを単純に束ねるという方法も考えられる。しかし，この方法では，光ファイバーの本数に比例して，コスト，消費電力が増大し，将来のシステムに求められるビット当たりのコスト，ビット当たりの消費電力削減にはつながらない。また，30dB?40dBの容量増には，光ファイバーや光増幅器の占有するスペースも問題となり，ファイバーを束ねる方法では，空間利用効率（ビット当たりの占有面積，体積）も向上できない。これまで，時間領域で多重し，電気処理回路，光ファイバーを共有する時分割多重（TDM：Time-division Multiplexing）や波長領域で多重し，光増幅器，光ファイバーを共有する波長分割多重（WDM：Wavelength-division Multiplexing）により，大幅に容量を増加させ，ビット当たりのコスト，ビット当たりの消費電力を低減させてきた。
図1 空間分割多重の2つの形態
図2 SDMの主要な要素技術
3.最近の研究動向
世界的には，2011 年より，光通信分野での主要国際会議であるOFC（Optical Fiber Communication Conference and Exposition）やECOC（European Conference and Exhibition on Optical Communication） において，SDM技術に関する研究発表が急増した。表1，表2に，MCF（MC-FMFを含む）ならびにFMFを用いた主なSDM伝送実験を示す。
表1 主なMCF伝送実験
表2 主なFMF伝送実験
4.本特集と今後の展望
本特集では，「空間多重の極限追求を目指す光ファイバー通信技術」と題して，空間多重用ファイバーであるMCF，FMF，MC-FMFやそれらの接続技術ならびにFMFの群遅延特性評価法やこれらファイバーを用いた長距離／大容量伝送技術の最新技術動向について解説している。2011年からわずか3年間でSDMの研究が急速に世界的に立ち上がってきたが，現在のところ，MCFを用いても，まだ，従来のシングルモードファイバーの10倍の容量であるPbit/sを実現しているに過ぎない。今後20～30年間のトラフィックの増加を考えれば，上述したように，従来ファイバー1本当たりの限界容量と考えられている100Tbit/sを少なくとも2桁以上は陵駕する10Pbit/s級の伝送媒体と伝送技術の開発が早急に求められている。特にFMFでは，今後，現実的にどこまでモード数を増やせるかがキーとなるであろう。モード当たりの伝送容量が上がれば，同一コア内でのモード間の非線形相互作用も問題となろう。しかし，容量＝光パワーという観点からは，限られたファイバー断面積にいかに付加的な雑音を発生させないでパワーを分散させ，伝送させるかという問題に帰着する。また，新規SDMファイバー，SDM伝送技術を用いて，機能性，運用性に富み，コストメリットのあるネットワークを既存ネットワークと融和して，いかに構築するかというアーキテクチャの検討も重要である。5.まとめ
本稿では，光通信分野で研究が進む空間分割多重（SDM：Space-division Multiplexing）技術について，その必要性ならびに研究動向を概説した。今後20年～30年のトラフィック需要に対応できる伝送媒体，伝送技術を確立することは，容易ではないが，世界的に研究者数も増加し，日本を中心に着実に新たな成果が出ており，今後の研究の発展を期待したい。参考文献
- 盛岡敏夫：「光通信技術?極限への挑戦?」電子情報通信学会誌 Vol.94 No.5 pp.412-416（2011）
- 「特集 エクサへの挑戦：超大容量光ファイバー通信技術の最新動向」O plus E，2011年9月号（2011）
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- A. Sano, H. Takara, T. Kobayashi, H. Kawakami, H. Kishikawa, T. Nakagawa, Y. Miyamoto, Y. Abe, H. Ono, K. Shikama, M. Nagatani, T. Mori, Y. Sasaki, I. Ishida, K. Takenaga, S. Matsuo, K. Saitoh, M. Koshiba, M. Yamada, H. Masuda, and T. Morioka: “409-Tb/s + 409-Tb/s Crosstalk Suppressed Bidirectional MCF Transmission over 450 km Using Propagation-direction Interleavingm,” Opt. Express, OSA, Vol. 21, No. 14, pp. 16777?16783 (2013)
- K Igarashi, T Tsuritani, I Morita, Y Tsuchida, K Maeda, M Tadakuma, T Saito, K Watanabe, K Imamura, R Sugizaki, M Suzuki: “1.03-Exabit/s?km Super-Nyquist-WDM Transmission over 7,326-km Seven-Core Fiber,” ECOC 2013, PD3.E.3 (2013)
- 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, T Morioka: “2 x 344 Tb/s Propagation-direction Interleaved Transmission over 1500-km MCF Enhanced by Multicarrier Full Electric-field Digital Back-propagation,” ECOC 2013, PD3.E.4 (2013)
- 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 Dense Space Division Multiplexed Transmission over 40 km Employing Multi-carrier Signals with Parallel MIMO Equalization,” Proc. of OFC 2014, Th5B.2 (2014)
- N. Hanzawa, K. Saitoh, T. Sakamoto, T. Matsui, S. Tomita, and M. Koshiba: “Demonstration of mode-division multiplexing transmission over 10 km two-mode fiber with mode coupler,” a, OFC/NFOEC 2011, OWA4 (2011)
- C. Koebele, M. Salsi, L. Milord, R. Ryf, C. Bolle, P. Sillard, S. Bigo, and G. Charlet: “40 km transmission of five mode division multiplexed data streams at 100 Gb/s with low MIMO-DSP complexity,” ECOC 2011, Th.13.C.3 (2011)
- E. Ip, N. Bai, Y.-K. Huang, E. Mateo, F. Yaman, M.-J. Li, S. Bickham, S. Ten, J. Linares, C. Montero, V. Moreno, X. Prieto, V. Tse, K. M. Chung, A. Lau, H.-Y. Tam, C. Lu, Y. Luo, G.-D. Peng, and G. Li: “88x3x112-Gb/s WDM Transmission over 50-km of Three-Mode Fiber with Inline Multimode Fiber Amplifier,” ECOC 2011, Th.13.C.2 (2011)
- R. Ryf, A. Sierra, R. Essiambre, S. Randel, A. H. Gnauck, C. Bolle, M. Esmaeelpour, P. J. Winzer, R. Delbue, P. Pupalaikise, A. Sureka, D. W. Peckham, A. McCurdy, and R. Lingle, “Mode-equalized distributed Raman amplification in 137-km few-mode fiber,” ECOC 2011, Th.13.K.5 (2011)
- S. Randel, R. Ryf, A. H. Gnauck, M. A. Mestre, C. Schmidt, R.-J. Essiambre, P. J. Winzer, R. Delbue, P. Pupalaikis, A. Sureka, Y. Sun, X. Jiang, and R. Lingle, “Mode-Multiplexed 6×20-GBd QPSK Transmission over 1200-km DGDCompensated Few-Mode Fiber,” OFC/NFOEC 2012, PDP5C.5 (2012)
- R. Ryf, R.-J. Essiambre, A. H. Gnauck, S. Randel, M. A. Mestre, C. Schmidt, P. J. Winzer, R. Delbue, P. Pupalaikis, A. Sureka, T. Hayashi, T. Taru, and T. Sasaki, “Spacedivision multiplexed transmission over 4200 km 3-core microstructured fiber,” OFC/NFOEC 2012, PDP5C.2 (2012)
- V. Sleiffer, Y. Jung, V. Veljanovski, R. van Uden, M. Kuschnerov, Q. Kang, L. Grüner-Nielsen, Y. Sun, D. Richardson, S.-U. Alam, F. Poletti, J. Sahu, A. Dhar, H. Chen, B. Inan, T. Koonen, B. Corbett, R. Winfield, A. Ellis, and H. De Waardt: “73.7 Tb/s (96X3x256-Gb/s) modedivision-multiplexed DP-16QAM transmission with inline MM-EDFA,” ECOC 2012, PDP Th.3.C.4 (2012)
- N. Bozinovic, Y. Yue, Y. Ren, M. Tur, P. Kristensen, A. Willner, and S. Ramachandran: “Orbital Angular Momentum (OAM) Based Mode Division Multiplexing (MDM) over a Kmlength Fiber,” Proc. ECOC 2012, Th.3.C.6(2012)
- R. Ryf, S. Randel, N.K. Fontaine, M. Montoliu, E. Burrows, S. Corteselli, S. Chandrasekhar, A.H. Gnauck, C. Xie, R.-J. Essiambre, P.J. Winzer, R. Delbue, P. Pupalaikis, A. Sureka, Y. Sun, L. Gruner-Nielsen, R.V. Jensen, R. Lingle: “32-bit/s/Hz Spectral Efficiency WDM Transmission over 177-km Few-Mode Fiber,” Proc. OFC/NFOEC 2013, PDP5A.1 (2013)
- R. Ryf; N. K. Fontaine; H. Chen; B. Guan; S. Randel; N. Sauer; S.J.B. Yoo; A. Koonen; R. Delbue; P. Pupalaikis; A. Sureka; R. Shubochkin; Y. Sun; R. Lingle: “23~Tbit/s Transmission over 17-km Conventional 50 um Graded-Index Multimode Fiber,” Proc. of OFC 2014, Th5B.1 (2014)
- A. Sano, H. Takara, T. Kobayashi, H. Kawakami, H. Kishikawa, T. Nakagawa, Y. Miyamoto, Y. Abe, H. Ono, K. Shikama, M. Nagatani, T. Mori, Y. Sasaki, I. Ishida, K. Takenaga, S. Matsuo, K. Saitoh, M. Koshiba, M. Yamada, H. Masuda, and T. Morioka: “409-Tb/s + 409-Tb/s Crosstalk Suppressed Bidirectional MCF Transmission over 450 km Using Propagation-direction Interleavingm,” Opt. Express, OSA, Vol. 21, No. 14, pp. 16777?16783 (2013)
- 「特集 我が国基礎・基盤研究の現状?NICT EXAT研究会?」ITUジャーナル5月号pp.3-25（2009）
- T. Morioka: “New generation optical infrastructure technologies: “EXAT Initiative” towards 2020 and beyond,” OECC 2009, FT4 (2009)
- 盛岡敏夫 淡路祥成：「光通信インフラの飛躍的な高度化に向けた取り組み：概要」電子情報通信学会誌 Vol. 97, No.2, pp. 98-101（2014）
- 電子情報通信学会 通信ソサイエティ「光通信インフラの飛躍的な高度化に関する時限研究専門委員会（EXAT）」http://www.ieice.org/~exat/
- 中島和秀：「特集 ペタビットを目指すマルチコア光ファイバ技術」”? 産学官連携による空間多重技術の研究開発”ITUジャーナル11月号（2013）
広告索引
- エドモンド・オプティクス・ジャパン(株)416-997
- (株)FITリーディンテックス416-010
- オーシャンフォトニクス(株)416-003
- オーテックス(株)416-999
- (株)オフィールジャパン416-008
- (株)オプトサイエンス416-012
- コヒレント・ジャパン(株)416-002
- (株)ティー・イー・エム416-007
- (株)東京インスツルメンツ416-009
- (株)三鷹光器416-011
