高密度空間分割多重（DSDM）長距離光伝送基盤技術

Size: px

Start display at page:

Download "高密度空間分割多重（DSDM）長距離光伝送基盤技術"

れれしもとり
5 years ago
Views:

1 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, 光高密度空間分割多重マルチコア / マルチモード長距離大容量光伝送集将来の大容量光ネットワークを支える空間多重光通信技術の最先端高密度空間分割多重 (DSDM) 長距離光伝送基盤技術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. 特みずのたかゆきしばはらこうき水野隆之 / 芝原光樹りぃどうはんこばやしたかゆき李斗煥 / 小林孝行みやもとゆたか宮本裕 NTT 未来ねっと研究所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. NTT 技術ジャーナル

2 将来の大容量光ネットワークを支える空間多重光通信技術の最先端図 1 空間多重光伝送技術組んできました.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が従来の SMF と同等の 80 μm 2 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 (Quadrature 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 14 NTT 技術ジャーナル

3 集示すとおり図 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,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 , 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. NTT 技術ジャーナル特

4 将来の大容量光ネットワークを支える空間多重光通信技術の最先端 N N N N 図 4 高密度空間分割多重 (DSDM) 光伝送技術します. 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 16 NTT 技術ジャーナル

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.

01-Pb/s (12 SDM/222 WDM/456 Gb/s)crosstalk-managed transmission with 91.4-b/s/Hz aggregate spectral efficiency, Proc. of ECOC 2012,Postdeadline Paper,Th.3.C.1,Amsterdam,The Netherlands,Sept. 2012. (2) T.

5 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. Morioka: 1.01-Pb/s (12 SDM/222 WDM/456 Gb/s)crosstalk-managed transmission with 91.4-b/s/Hz aggregate spectral efficiency, Proc. of ECOC 2012,Postdeadline Paper,Th.3.C.1,Amsterdam,The Netherlands,Sept (2) T. Kobayashi, H. Takara, A. Sano, T. Mizuno, H. Kawakami, Y. Miyamoto, K. Hiraga, Y. 集られ空間多重光伝送における空間多重数と伝送距離,100 超多重のDSDMも報告され図 ₅ Abe, H. Ono, M. Wada, Y. Sasaki, I. Ishida, K. Takenaga, S. Matsuo, K. Saitoh, M. Yamada, H. Masuda, and T. Morioka: Tb/ s propagation-direction interleaved transmission over 1500-km MCF enhanced by multicarrier full electric-field digital back-propagation, Proc. of ECOC 2013,Postdeadline Paper, PD3.E.4,London,U.K.,Sept (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 (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 modedispersion employing low-complexity parallel MIMO frequency-domain equalization, Proc. of OFC 2015,Postdeadline Paper, Th5C.3,Los Angeles,U.S.A.,March (5) (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 特crosstalk-managed single-mode heterogeneous multicore transmission line, Proc. of OFC 2016,Postdeadline Paper,Th5C.3, Anaheim,U.S.A.,March 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 Amplifier for Dense Space Division Multiplexed Transmission System, Proc. of ECOC 2016, Postdeadline Paper,Th.3.A.1,Düsseldorf, Germany,Sept 李斗煥 NTT 未来ねっと研究所では, 将来のスケー NTT 技術ジャーナル (7) S. Jain, T. Mizuno, Y. Jung, Q. Kang, J. R. ( 上段左から ) 水野隆之 / 芝原光樹 / ( 下段左から ) 小林孝行 / 宮本裕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 pt-hosa-mirai lab.ntt.co.jp

大容量光ネットワークの進化を支える空間多重光通信技術

将来の大容量光ネットワークを支える空間多重光通信技術の最先端空間多重光通信ペタビット級光通信マルチコアマルチモードファイバ大容量光ネットワークの進化を支える空間多重光通信技術みやもと宮本ゆたか 1 かわむらりゅうたろう 2 裕 / 川村龍太郎 1 NTT 未来ねっと研究所 2 NTT 未来ねっと研究所所長大容量光ネットワークの発展と技術課題近年では, インターネットを通じた動画, 電子決裁などが広く普及し,