高密度空間分割多重（DSDM）長距離光伝送基盤技術

空間多重光伝送技術の現状と課題 クラウドコンピューティングによる データサービス，モバイル通信サービ ス，高精細度映像通信サービスなどの 新しい情報通信サービスの急速な普及 により，光ネットワークを流れるデー タ通信量はますます増えると予想され ます．それに伴い，光ファイバ通信容 量をさらに大きくすることが求められ ています．NTT研究所では，過去30 年以上にわたる光伝送技術の研究開発 の中で，時分割多重，波長分割多重， そしてデジタルコヒーレント技術を適 用し，研究では 1 本の光ファイバ当り 100 Tbit/s級の伝送容量，商用で10 Tbit/s級の大容量基幹系光伝送システ ムを実現しました．伝送容量をさらに 拡大するには，光ファイバへの入力パ ワーを上げる必要があります．しかし， 上げ過ぎると非線形光学効果やファイ バヒューズ現象が発生するため，使用 できるパワーには上限があります．こ れら物理的限界による容量の制限は約 100 Tbit/sであるといわれており，商 用システムでは，早ければ10年後には この上限に到達する可能性がありま す．そこでNTT未来ねっと研究所で は，2009年ごろから関係各社と連携 し，次世代の超大容量光伝送技術とし て空間多重技術の研究開発を推進して きました． 空間多重光伝送技術＊ 1_{は，光信号} を空間的に多重化することで光ファイ バの伝送容量を何桁も増やせる最先端 の光伝送方式として注目されており， 世界の各研究機関で先進的な取り組み が進められています．代表的な例とし て，マルチコアファイバ（MCF），お よびマルチモードファイバ（MMF） を伝送媒体とした空間多重光伝送シス テムの概略を図 1（a）に示します．現 在の基幹系光ネットワークで使用され ている単一モード光ファイバ（SMF: Single Mode Fiber）に対して，伝送 容量をN（コア数），ないしはM（モー ド数）倍に増やすことができます．こ れまでにさまざまな空間多重光伝送方 式が報告され，図 1（b）に示すような マトリクスに整理されます． 空間多重技術で実証された，伝送距 離に対する 1 本の光ファイバ当りの 伝送容量を図 2 に示します．2012年 に，19コアのMCFを用いた容量305 Tbit/s，距離10.1 kmの伝送実験が報 告され，SMFの容量限界を超える光 伝送が初めて実証されました．同じ年 に，NTT未来ねっと研究所では，光 デバイス関連研究所，光ファイバメー カ，大学などと連携し，12コアのMCF を用いて，従来のSMFの最大伝送容 量を一桁超える，1Pbit/sの伝送容量 を世界で初めて実証しました（1）_．続い て2013年に，12コアMCFの双方向光 伝送方式の適用によりコア間クロス トークを低減し，1Ebit/s ・ kmの容量 距離積を実証しました（2）_{．このように} 空間多重光伝送技術の有用性が示され ましたが，さらなる大容量化には空間 多重数（多重するコア数，モード数） を増やす必要があり，そのための超多 重化技術を立ち上げることが次の課題 でした． 高密度空間分割多重（DSDM）に 向けて 空間多重技術による光ファイバ伝送 システムのさらなる大容量化に向け， 私たちは空間多重数30以上の高密度 空間分割多重（DSDM: Dense Space Division Multiplexing）＊ 2_{の実現を目} 標とし，新しい要素技術の創出に取り ＊1 空間多重光伝送技術：光信号を空間的に多 重化し，伝送する技術で，次世代の大容量 光伝送技術としてグローバルな研究開発が 進められています． ＊2 DSDM：空間多重数30以上の高密度な空間 多重技術で，2014年にNTT未来ねっと研究 所を筆頭として提案 ・ 実証したものです． 次世代の大容量光通信ネットワークを支える光伝送技術として，マルチ コア／マルチモード空間多重技術が検討されています．本稿では，空間多 重を用いた光伝送技術の最新動向を述べ，関係各社と連携して進めてきた 空間多重数が30を超える世界最先端の高密度空間分割多重（DSDM: Dense Space Division Multiplexing）超大容量長距離光伝送技術を紹介します．

水

野 隆

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原 光

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煥 /小

林 孝

行

宮

本 　裕

NTT未来ねっと研究所

組んできました．MCFを用いたDSDM 長距離光伝送を実現するには，250 μm 以下のクラッド径の中に，実効断面積 が従来のSMFと同等の80 μm2_以上で あるコアを30個以上配置する必要が あります．しかし，光ファイバ内のコ ア配置が高密度になるため，コア間の クロストークが増大するという問題が ありました． 一例として，空間多重数に対する 1000 km伝送後のコア間クロストーク を図 3 に示します．縦軸は陸上系の光 伝送システムを想定し，1000 km伝送 したと仮定したときのMCF中のコア 間の最悪クロストークです．グラフの 上に位置するほどクロストーク値は低 く，長距離伝送特性への影響が小さい ことを意味します．点線は，0.5 dBの Q値ペナルティを仮定したときの各変 調方式で必要なコア間クロストーク値 です．多値度が高いほど，同じリソー スでも伝送容量を大きくできますが， クロストークの要求値が厳しくなりま す．例えば，偏波多重16QAM （Quad-rature Amplitude Modulation：直角位 相振幅変調）＊ 3_{方式では，−25 dB以} 下に抑制する必要があります．図 3 に 1 Ebit/s · km 1 Ebit/s · km 1 Pbit/s · km 1 Pbit/s · km 10 1 0.01 0.1 0.001 （Pbit/s） I A：マルチコア I B：単一モード 19コアx 6 モード KDDI他 19コアx 6 モード KDDI他 22コア NICT他 22コア NICT他 3 結合コア ベル研他3 結合コア ベル研他 3 モード ベル研他3 モード ベル研他 6 結合コア ベル研他6 結合コア ベル研他 12コアx 3 モード NTT他 12コアx 3 モード NTT他 7 コア KDDI他7 コア KDDI他 12コア NTT他 12コア NTT他 12コア NTT他 12コア NTT他 10モード ベル研他 10モード ベル研他 19コア NICT他 19コア NICT他 7 コアx 3 モード COBRA他7 コアx 3 モード COBRA他 6 モード ベル研他6 モード ベル研他 19コアx 6 モード KDDI他 19コアx 6 モード KDDI他 12コアx 3 モードNTT他12コアx 3 モードNTT他 10モード ベル研他 10モード ベル研他 7 コア NICT他7 コア NICT他 12コア NTT他 12コア NTT他 世界初のPbit/s伝送 世界初のPbit/s伝送 II B：結合マルチコア III B：マルチモード マルチモード III A：マルチコア・ 1 10 100 1000 10000 伝送距離 1 ファイバ当りの伝送容量 （km） 図 2 　伝送距離に対する 1 本の光ファイバ当りの伝送容量 マルチコアファイバ（MCF） 単一モードコア 複数の 空間チャネル群 A B 単一の 空間チャネル群 マルチモードコア コア x 1 群 モード コア x 群 コア コア x モード 従来のデジタル信号処理 MIMOデジタル信号処理 I 単一モード II 結合コア III マルチモード マルチコア 結合コア群 _{マルチモード}マルチコア・ 単一モード 結合コア マルチモード マルチモードファイバ（MMF） デジタル信号処理 ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ デジタル信号処理 デジタル信号処理 デジタル信号処理 Tx 1 _{コア 1} コア モード モード 1 モード 2 Tx: 光送信器 Rx: 光受信器 Tx 2 Tx Tx 1 Tx 2 Tx Rx 1 Rx 2 Rx Rx 1 Rx 2 Rx （a） MCFおよびMMFを伝送媒体とした光伝送システムの概略 （b） 空間多重光伝送方式の分類 図 1 　空間多重光伝送技術

示すとおり，7 コア，12コア，19コア， とコア数を増やしていくにつれ，コア 配置が密になるため，コア間クロス トークが増大します．そこで，私たち はDSDM長距離光伝送の実現に向け， 空間多重数30〜100，コア間クロス トーク−25 dB前後を目標領域として 設定しました． ■世界初のDSDM光伝送 最初のアプローチとして，マルチコ ア光伝送とマルチモード光伝送の掛け 合わせを検討しました．モード多重光 伝送では，モード間で結合する光信号 を分離するため，無線通信技術で実用 化されているMIMO（Multiple Input Multiple Output）＊ 4_{信号処理を適用す} ることが検討されています．MIMO信 号 処 理 に 必 要 な 演 算 量 は，DMD （Differential Mode Delay：モード間 群遅延時間差）＊ 5_{の大きさに比例しま} す．信号処理で許容できる負荷にも制 限があるため，DMDを抑える必要が

あります．また，モード多重光伝送で は，MDL（Mode Dependent Loss：モー ド依存損失）＊ 6_{が伝送特性に大きな影} 響を与えます．研究を進める中で， MDLは信号処理では補償が難しく， 伝送距離を制限する最大の要因である と明らかになりました．このように， モード多重光伝送自体でも高度な技術 が必要なため，マルチコア ・ マルチ モード光伝送は，いずれの研究機関か らも報告されていませんでした．そこ で，私たちはデジタル信号処理の負荷 を軽減する，パラレルMIMO-TDE （Time Domain Equalization：時間領 域等化）デジタル信号処理方式を考案 しました．また，光ファイバメーカ， および大学と連携して低損失かつ低ク ロストークのマルチコア ・ マルチモー ド光ファイバを実現しました．さらに， NTTの光デバイス関連研究所と共同 で，マルチコア ・ マルチモード入出力 デバイス，低損失な石英PLC（Planar Lightwave Circuit：平面光波回路） 型のモード合分波器，および石英 PLCの量産化技術を適用した空間多 重用の集積型光受信デバイスを創出し ました．これら要素技術を結集し， 2014年に，世界で初めて空間多重数 36（12コア多重×3 モード多重）のマ ルチコア ・ マルチモードDSDM光伝 送に成功しました（3）_{．続いて2015年に，} MIMO等化の信号処理量をより一層削 減 し た パ ラ レ ルMIMO-FDE（Fre-quency Domain Equalization：周波数 領域等化）デジタル信号処理方式と， DMDをさらに一桁低減したグレー デッドインデックス型のマルチコア ・ マルチモード光ファイバを実現しまし た．また，空間光学型MDL等化器， およびモード間の利得差を抑えたマル チモード光増幅器を実現し，光伝送路 のMDLを大幅に低減しました．これ らDMDとMDLの抑制技術によりマル チモード光での長距離光伝送を可能と し，527 kmの長距離マルチコア ・ マ ルチモードDSDM光伝送の実証に世 界で初めて成功しました（4）_{．実証実験} で使用したマルチコア ・ マルチモード DSDM光伝送系の概略を図 4（a）に示 ＊3 16QAM：搬送波の光信号の強度と位相の16 種類の組み合わせにデジタル信号の16値を 対応させて１回の変調で４ビット伝送する 変調方式です． ＊4 MIMO：無線通信で実用化されている信号 処理技術で，空間多重信号を分離するデジ タル信号処理方式としての利用が検討され ています． ＊5 DMD：モード間に生じる群遅延時間の差で す．グレーデッドインデックス型の屈折率 分布にすることにより，DMDが低減できる ことが知られており，マルチモード伝送の デジタル信号処理の負荷を軽減できます． ＊6 MDL：モード間に生じる損失差です．モー ド多重光伝送において，伝送距離を制限す る最大の要因です． マルチコア光伝送路 = 7 =12 双方向伝送 双方向伝送 =19 一方向伝送 一方向伝送 =16 =16 双方向伝送 双方向伝送 一方向伝送 一方向伝送 =22 =30 =30 =32 =32 36（ =12， = 3 ） 36（ =12， = 3 ） マルチコア光ファイバ 空間多重数 高密度空間分割多重（DSDM） 長距離光伝送の目標領域 （空間多重数: 30 ∼ 100） 1000 km _{伝送後のコア間クロストーク} 10 20 40 0 0 30 （dB） 64QAM 32QAM 16QAM 8QAM QPSK −40 −30 −20 −10 0.5 dBのQ値ペ ナルティを仮定 した場合の各変 調方式の許容ク ロストーク 図 3 　空間多重数に対する1000 km伝送後のコア間クロストーク

します． ■世界初のマルチコアDSDM長距 離光伝送 別のアプローチとして，日欧国際連 携SAFARIプ ロジ ェクトに お い て， MCFの高密度化の検討を進めました（5）_． 最初の検討では，約10 km長の30コア， および31コアの高密度MCFを試作し， 良好な伝送特性が得られることを確認 しました．しかしコア間クロストーク が大きく，長距離光伝送には適しませ んでした．次に，設計を改良して51.4 km長の32コアの高密度MCFを作製し ました．このMCFでは，1000 km伝 送後でもコア間クロストークを−21.6 dB以下に抑えており，単一モードの MCFで は 初 め て， 図 3 に 示 し た DSDM光伝送の目標領域に到達しま した．この低クロストーク ・ 高密度 MCFを 用 い，2016年 に，1600 kmを 超えるマルチコアDSDM長距離光伝 送を初めて実証しました（6）_{．実証実験} で使用したマルチコアDSDM光伝送 系の概略を図 4（b）に示します．空間 多重数30以上，かつ1000 km以上の DSDM長距離光伝送の実証は世界初 で，現在のところ唯一の成功例です． このマルチコアDSDM光伝送を実シ ステムとして使用するには，高密度マ ルチコア光増幅器が必要不可欠です． そこで，欧州の大学などと連携して32 コアのマルチコア一括励起光増幅器の 検討も進め，世界で初めて実現しまし た．これら32コアMCFおよび一括励 起マルチコア光増幅器を用いて111.6 kmの光増幅中継伝送系を構築し，全 32コアにわたり，良好な伝送特性が得 られることを実験的に確認しました（7）_． これまで報告された空間多重光伝送 における空間多重数と伝送距離を図 5 に示します．DSDMに向けて検討を 始めた当初は，マルチコア光伝送で報 告されていた最大の空間多重数は19 でした．1000 km級の長距離光伝送で は空間多重数はさらに限られ，最大で も12でした．それに対し，私たちは 2014年に初めて空間多重数30以上の DSDM光伝送に成功し，さらに500 km超，1600 km超 と，DSDMで 伝 送 距離を伸ばしてきました．最近では他 の研究機関でもDSDMの検討が進め マルチコア・マルチモード 光ファイバ 高密度マルチコア 光ファイバ 52.7 km 51.4 km MDL等化器 マルチモード 光増幅器 マルチコア 光増幅器 マルチコア 光増幅器 Tx1,λ1 Tx1,λ20 TxN,λ1 TxN,λ20 Rx1,λ1 Rx1,λ20 RxN,λ1 RxN,λ20 Rx1,λ1 Rx1,λ20 Rx2,λ1 Rx2,λ20 Rx3,λ1 Rx3,λ20 Tx 1,λ1 Tx1,λ20 Tx2,λ1 Tx2,λ20 Tx3,λ1 Tx3,λ20 波長合波器 Tx：光送信器 波長分波器 Rx: 光受信器 デジタル信号処理 デジタル信号処理 デジタル信号処理 デジタル信号処理 モード合波器 モード分波器 ファンイン ファンイン ファンアウト ファンアウト （a） マルチコア・マルチモードDSDM光伝送系の概略 （b） マルチコアDSDM光伝送系の概略 図 4 　高密度空間分割多重（DSDM）光伝送技術

られ，100超多重のDSDMも報告され ています． 今後の展開 本稿では，次世代の大容量光通信技 術として，空間多重光伝送技術の最新 動向と，さらなる大容量化に向けた DSDM光伝送方式の取り組みについ て紹介しました．未来の光ネットワー クの基盤となる超大容量長距離光伝送 システムの実現をめざし，今後も空間 多重光伝送技術の研究開発を推進して いきます． ■参考文献

（1） H. Takara, A. Sano, T. Kobayashi, H. Kubota, H. Kawakami, A. Matsuura, Y. Miyamoto, Y. Abe, H. Ono, K. Shikama, Y. Goto, K. Tsujikawa, Y. Sasaki, I. Ishida, K. Takenaga, S. Matsuo, K. Saitoh, M. Koshiba, and T. M o r i o k a ： “ 1 . 0 1 - P b / s （ 1 2 S D M / 2 2 2 WDM/456 Gb/s） crosstalk-managed trans-mission with 91.4-b/s/Hz aggregate spectral effi ciency，” Proc. of ECOC 2012，Postdead-line Paper，Th.3.C.1，Amsterdam，The Netherlands，Sept. 2012．

（2） 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, and T. Morioka：“ 2 × 344 Tb/ s propagation-direction interleaved transmis-sion over 1500-km MCF enhanced by multi-carrier full electric-fi eld digital back-propa-gation，” Proc. of ECOC 2013，Postdeadline Paper, PD3.E.4，London，U.K.，Sept. 2013． （3） 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，Postdeadline Paper，Th5B.2， San Francisco，U.S.A.， March 2014． （4） K. Shibahara, T. Mizuno, H. Takara, A. Sano,

H. Kawakami, D. Lee, Y. Miyamoto, H. Ono, M. Oguma, Y. Abe, T. Kobayashi, T. Matsui, R. Fukumoto, Y. Amma, T. Hosokawa, S. Matsuo, K. Saito, H. Nasu, and T. Morioka： “Dense SDM （12-core×3-mode） trans mission over 527 km with 33.2-ns mode-dispersion employing low-complexity parallel MIMO frequency-domain equalization，” Proc. of OFC 2015，Postdeadline Paper， Th5C.3，Los Angeles，U.S.A.，March 2015． （5） http://www.ict-safari.eu/

（6） T. Mizuno, K. Shibahara, H. Ono, Y.Abe, Y. Miyamoto, F. Ye, T. Morioka, Y. Sasaki, Y. Amma, K. Takenaga, S. Matsuo, K. Aikawa, K. Saitoh, Y. Jung, D. J. Richardson, K. Pulverer, M. Bohn, and M. Yamada：“32-core dense SDM unidirectional transmission of PDM-16QAM signals over 1600 km using

crosstalk-managed single-mode heterogeneous multicore transmission line，” Proc. of OFC 2016， Postdeadline Paper，Th5C.3， Anaheim，U.S.A.，March 2016．

（7） S. Jain, T. Mizuno, Y. Jung, Q. Kang, J. R. Hayes, M. N. Petrovich, G. Bai, H. Ono, K. Shibahara, A. Sano, A. Isoda, Y. Miyamoto, Y. Sasaki, Y. Amma, K. Takenaga, K. Aikawa, C. Castro, K. Pulverer, M. Nooruzzaman, T. Morioka, S. U. Alam, and D. J. Richardson： “32-core Inline Multicore Fiber Amplifi er for Dense Space Division Multiplexed Transmis-sion System，” Proc. of ECOC 2016， Postdeadline Paper，Th.3.A.1，Düsseldorf， Germany，Sept. 2016． III A：マルチコア・ マルチモード I A：マルチコア II B：結合マルチコア III B：マルチモード 36コア× 3 モード （NICT他2015年） 12コア×3モード （NTT他2014年） 19コア× 6 モード （NTT他2016年，KDDI他2015年）DSDM領域：空間多重数＞30 世界初のDSDM長距離光伝送 7 コア × 3 モード 19 コア 22 コア 12 コア 10 モード 15 モード 12 コア 12コア× 3 モード （NTT他2015年） _32コア （NTT他2016年） 3 コア 7 コア 6 コア 6 モード 3 モード 空間多重数 伝送距離 100 10 1 1 10 100 1000 10000 30 （km） 世界初のDSDM 図 ₅ 　空間多重光伝送における空間多重数と伝送距離 （上段左から） 水野 隆之/ 芝原 光樹/ 李 　斗煥 （下段左から） 小林 孝行/ 宮本 　裕 NTT未来ねっと研究所では，将来のスケー ラブル光ネットワークの実現に向けて，空 間多重光通信や超高速デジタル信号処理な どの新しい技術領域を取り込んだ革新的な 光通信技術の研究開発を推進していきます． ◆問い合わせ先 NTT未来ねっと研究所 フォトニックトランスポートネットワーク研究部 TEL 046-₈₅₉-3011 FAX 046-₈₅₉-₅₅41 E-mail　pt-hosa-mirai lab.ntt.co.jp