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さみらわしあし
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1 NPO 科学カフェ京都第 157 回定例会 1 通信技術の進化 ~ 大洋横断光海底ケーブルを中心として ~ 2018 年 12 月 9 日 ( 株 )KDDI 総合研究所主席研究員公益財団法人 KDDI 財団理事長鈴木正敏

2 2 講演内容 1. 通信技術の変遷 2. 光通信システムの進化 3. 近未来のサービス 4. 未知 ( 月と深海 ) への挑戦 5. まとめ

3 19 世紀通信技術の変遷 19~20 世紀 1851 年 : 世界最初の海底ケーブル ( 電信 ) が英仏海峡に敷設初めて海を越えての通信 1866 年 : 大西洋横断海底ケーブルが完成 1871 年 : 長崎 ~ 上海長崎 ~ウラジオストク間に海底ケーブルを敷設日本初の国際通信 1876 年 : ベル ( 米 ) 電話発明 1888 年 : ヘルツ ( 独 ) 電磁波実験に成功 1891 年 : 英仏海峡に世界初の電話の海底ケーブル敷設 20 世紀 1901 年 : マルコーニ ( 伊 ) 大西洋横断無線通信に成功 1906 年 : 日本 ~アメリカ間海底電信線開通対米との電信サービス開始 1957 年 : ソ連が人工衛星スプートニック打ち上げ 1962 年 : 米国が実験通信衛星テルスター 1 号リレー 1 号打ち上げ 1963 年 : リレー衛星を介した我が国初のテレビ受信実験に成功 1964 年 : 初めて太平洋を横断した第一太平洋横断同軸海底ケーブル (TPC-1) 開通 1967 年 : 太平洋にインテルサットⅡ 号が打ち上げられ日米間の衛星通信サービスが開始 1989 年 : 光ファイバーによるが太平洋横断光海底ケーブル (TPC-3) が完成赤字 : 有線通信青字 : 無線通信 3

4 通信伝送路の発達史 ( 国際通信 ) 有線海底電信線 1851 年 ( 英仏海峡 ) 無線無線電信無線電話 1901 年 ( マルコーニ大西洋横断 ) 有線無線海底同軸ケーブル 1964 年 (TPC-1) 衛星通信 1967 年 ( インテルサット II 号 ) 有線光海底ケーブル 1989 年 (TPC-3) 4

5 (1) 海底電信線の開通デンマークの大北電信会社による長崎上海 1871 年長崎ウラジオストク 1872年間に敷設 1872年当時外国電報の利用状況は100通未満 1877年には約3万通 1906年日本アメリカグアム間海底電信線開通ウラジオストック大西洋横断から40年遅れの悲願の国際通信明治天皇とルーズベルト大統領間で祝電の交換上海長崎 5

6 (2) 無線電信の登場ヘルツ ( 独 ): 電磁波実験に成功 (1888 年 ) マルコーニ ( 伊 ): 海上無線伝送実験の成功 (1897 年 ) 大西洋横断無線伝送実験に成功 (1901 年 ) タイタニック号 ( 英 ): 氷山に接触水没無線でSOS(1912 年 ) 日本日露戦争の日本海海戦で歴史的成果 (1905 年 ) 陸船間無線電信サービス開始 (1908 年 ) ロシア北海道間で固定局間の無線電信業務の開始 (1915 年 ) 6

7 3 太平洋横断海底ケーブルの建設 1959年 1962年 1964年 1967年 KDD/AT&T間でTPC-1建設の可能性について会談を開始建設保守協定の締結 TPC-1 敷設完了総建設費用約243億円海底同軸ケーブル方式の採用 138回線全長9790km 274個の海底中継器と26個の海底等化器を使用ケーブルシップ KDD丸を建造 TPC-1開通を記念してメッセージを交換するジョンソン米大統領と池田首相 KDD丸 IEEE Milestone認定 7

8 (4) 衛星通信商用開始までの道のり 1945 年イギリス作家アーサークラークが静止衛星の実現を予言 1957 年ソ連が人工衛星スプートニックを打ち上げ 1962 年米国が実験通信衛星テルスター 1 号リレー 1 号を打ち上げ 1963 年茨城宇宙通信実験所完成 1963 年リレー衛星を介した我が国初のテレビ受信実験に成功 1964 年リレー 3 号を介して東京オリンピックの宇宙中継 1965 年アーリーバード打ち上げインテルサットのもと商用衛星通信が開始 1966 年インテルサットII 号 (F19) による日米テレビジョン伝送サービス開始 8

9 9 初の日米間テレビ宇宙中継宇宙中継に用いられたリレー衛星 IEEE Milestone 認定茨城県十王町 ( 現日立市 ) に建設された茨城宇宙通信実験所

:20dB/km) を実現 1975 年 KDD 研究所光ファイバーによる海底ケーブルの研究開発に着手

10 10 (5) 光海底ケーブル実用への道のり 1966 年イギリスのカオ氏等 (2009 年ノーベル賞受賞 ) がガラスファイバーによる光伝送の実現性を予測 1970 年米国コーニング社が光ファイバー ( 損失 :20dB/km) を実現 1975 年 KDD 研究所光ファイバーによる海底ケーブルの研究開発に着手米国ベル研と協力 1986 年光海底ケーブルと中継器の量産品質管理体制確立 1989 年太平洋横断光海底ケーブル TPC-3 開通 (280Mbps/FP)

11 現在 Fiber To The Home (FTTH) ADSL 電話線 CATV 同軸ケーブルからFTTH(光ファイバへ一本の光ファイバを32 64分岐して各家庭に最大１Gbpsのトリプルプレイサービス電話インターネットビデオを提供 2018年から10Gbps光サービスが開始電話局最寄の電柱宅内 TV+STB Set Top Box ＯＮＵＯLT HGW Home GateWay 1Gbps 11

12 ユーザ数現在 : ブロードバンドユーザ数の変遷 ( 固定アクセス ) 日本 : GE-PON (IEEE 標準 ) を十年以上に渡り使用欧米 : G-PON(ITU-T 標準 ) を主に使用 FTTH が 3000 万加入を突破 (2017 年 3 月末現在 ) 45,000,000 40,000,000 DSL :3.1M FTTH:28.3M CATV :6.8M TOTAL:38.2M GE-PON (KDDI) 35,000,000 30,000,000 25,000,000 20,000,000 15,000,000 10,000,000 5,000,000 0 Source :MIC 月 / 年 12

13 13 総務省資料より Source : MIC そうむ 13

14 移動通信システムの進化ピークスループットユースケースの進化 G 2G 3G 4G 5G 100kbps 1Mbps 1Gpbs 10Gbps 携帯電話ショートメッセージデータ通信 IoT モバイルインターネット Internet of Things) ユーザセントリック初めてポケットに入った携帯電話相手の時間にケータイ文化縛られないコミュニケーション手の中にあらゆるものがインターネットインターネットに繋がる 14

15 現在モバイルユーザ数の変遷(ワイヤレスアクセスユーザ数は現在も順調に増加 10年毎に新技術が導入され世代交代が進展 M ユーザ数(10K) G 3G LTE Total 10 年 Source: TCA, MIC 年/月 15

Forecast グローバルインターネットのトラヒックの推移 22%CAGR (2015-2020)

16 Forecast グローバルインターネットのトラヒックの推移 22%CAGR ( ) Source: Cisco VNI Global IP Traffic Forecast,

17 世界の固定インターネットと携帯電話の普及状況(面的拡大 2000年年 12.1 出典平成29年版情報通信白書総務省 17

18 伝送容量 (Gbps) 海底ケーブルの容量の推移半世紀で 100 万倍 (10 6 ) 以上 10 年で 1000 倍 (10 3 ) 無線通信が主流分散マネージメント波長多重光通信が主流ディジタルコヒーレント TGN-P Japan-US PC-1 China-US FASTER Unity TPE x1000 IoT X>1,000,000 動画 SNS インターネット東京 ~ グアム間の海底ケーブル ( 電信 ) 1906 同軸ケーブル光増幅中継光再生中継 TPC-1 TPC-2 TPC-5 TPC-4 TPC-3 10Years 電話ファックス電報テレックス西暦 18

19 19 現在の海底ケーブルシステム光ファイバーケーブル総長 : 約 1,000 万 km

20 東日本大震災時の被災状況 (海底ケーブル) 基地局局舎 Japan-US 北茨城沖 3箇所 PC-1 神奈川沖 1箇所 Japan-US 南 TGN-P(北) 銚子沖 6箇所 China-US Unity TGN-P(南) 凡例運用中ケーブル被災ケーブル推定障害箇所 PC-1 EAC 韓国へ FLAG 韓国へ APCN-2 中国韓国へ APCN-2 台湾へ 2011年3月11日の東日本大震災時海底ケーブルの故障により国際専用線国際ＩＰＶＰＮ国際電話付加サービスにサービス影響が発生したが 2011年３月１５日１５時９分に復旧 20

21 21 通信技術の変遷 21 世紀世界中に一気に光海底ケーブル網が張り巡らされ国際通信は光海底ケーブルが主流となり現在では日本の国際通信の 99% 以上が海底ケーブルを利用携帯電話の爆発的な普及 (1 億 6,273 万契約 2017 年 3 月末 ) によりモバイル通信技術が急速に進展たくさんの情報をより遠くへ! いつでもどこでも誰とでも! 光通信は μm( 約 200THz) の光を使用するため携帯電話等の約 1 GHz の電波に比べて 5 桁以上の大容量化が可能 ( 最新データ :10Pbps) 無線通信は場所非依存通信が特徴でモバイル通信がパーソナルゲートウェイとして急速に普及また非常時の通信手段として携帯端末は必需品 Mega:10 6 Giga:10 9 Tera:10 12 Peta:10 15 Exa:10 18 百万 10 億 1 兆 1000 兆 100 京

22 テレコム技術の驚異的進化 ~ 最初のメッセージ交換者の地位 1/(ICT 普及率 )~ 22 音声チャネル数最初のメッセージ交換者 1906 : 東京 - グアム電信ケーブル 1964 : TPC-1 <1 約 100 倍 /50 年 128 明治天皇陛下 & ルーズベルト大統領約 700 万倍 /50 年池田総理大臣とジョンソン大統領 2016 : FASTER (10Tbpsx6) 約 10 億回線会社の担当者 203x :(10Pbpsx6)? 約 1 兆回線 AI マシーン

23 電話 50 年を経て ~TPC-1 完成時と現在の比較 ~ 1966 年ごろ 2016 年現在 (50 年後 ) 黒電話 1 人に0.1 台東京駅スマートフォン 1 人に1 台風景大卒初任給約 2 万円約 20 万円東京駅 23

24 24 講演内容 1. 通信技術の変遷 2. 光通信システムの進化光海底ケーブル光ソリトン光空間多重 3. 近未来のサービス 4. 未知 ( 月と深海 ) への挑戦 5. まとめ

25 25 光通信システムの基本構成伝送路 : 光ファイバ ( 石英ガラス ) 光送信部 : 電気 / 光変換 (E/O) 部 : レーザダイオード (LD) 光変調器光受信部 : 光 / 電気変換 (O/E) 部 : フォトダイオード (PD) 光中継部 : 再生中継光増幅中継 ( エルビウム添加ファイバ (EDF)) 電気信号レーザ光信号光中継器光信号 PD 電気信号光送信器光ファイバ光受信器

26 革新技術 1 光通信を可能とした 2 つの発明 Invention of Laser The Nobel Prize in Physics 1964 Charles H. Townes, Nicolay G. Basov, Aleksandr M. Prokhorov The Nobel Prize for physics is in this year given for the invention of the maser and the laser. "Maser" stands for "microwave amplification by stimulated emission of radiation", and the word "laser" is obtained by replacing "microwave" by "light". Izuo Hayashi and Morton B. Panish (AT&T Bell Labs) reported the first room temperature CW operation of GaAs-AlGaAs semiconductor diode Laser in 1970 (APL, p ) Invention of Glass Fiber The Nobel Prize in Physics 2009 Charles K. Kao In 1966, Charles K. Kao made a discovery that led to a breakthrough in fiber optics. He carefully calculated how to transmit light over long distances via optical glass fibers. With a fiber of purest glass it would be possible to transmit light signals over 100 kilometers, compared to only 20 meters for the fibers available in the 1960s The first ultrapure fiber was successfully fabricated (20dB/km@632.8nm) just four years later, in 1970 by Corning ( F. P. Kapron et al., APL, p.423,1970) 26

27 27 光ファイバの基本導波原理 ~ シングルモードファイバ ~ クラッド (SiO 2 ) 125mm 屈折率分布 n 2 250mm q max n 1 ~10mm 全反射 n 2 樹脂被覆コア ( GeO 2 / SiO 2 ) q2 n2 n1 q1 q1 スネルの法則 n1sinq1=n2sinq2 全反射条件 n1sinq1>n2 比屈折率差 D = n 1-n 2 n 1 開口数 (NA) qmax = n 1 2 D 光ファイバは屈折率の高いコア部分とそれを取り囲むクラッドから構成されているコアの屈折率 n1 とクラッドの屈折率 n2 の差は約 0.3~1% 程度でこの屈折率差によりコアとクラッドの境界で全反射が起き光がコアに閉じ込められるただし閉じ込められる光はある入射角 (qmax) 以下の光線に限られる

28 損失 (db/km) 光ファイバの損失 10 全損失 OH 基吸収 1 レイリー散乱.1 赤外吸収紫外吸収波長 (mm) 光ファイバの損失は吸収損失と散乱損失に分けられる吸収損失には材質に起因した紫外吸収と赤外吸収による固有損失と遷移金属や OH 基 (1.4μm 波長帯 ) による不純物に起因した外部要因による損失がある一方散乱損失としてはガラス状に起因するレーリー散乱と製造にともなうコア部とクラッド界面の不整気泡の混入などの外的要因に分けられる現在外的要因による損失は最小化され 1.55μm 波長帯で 0.2dB/km 以下をきる理論限界に近い損失まで達している 28

29 波長分散 (ps/km-nm) 光ファイバの波長分散材料分散シングルモードファイバ (SMF) ノンゼロ DSF 分散シフトファイバ (DSF) 0-10 導波路分散 (SMF) 導波路分散 (DSF) 波長 (mm) シングルモードファイバ (SMF) の波長分散は 1.3μm 波長帯でゼロであり 1.55μm 波長帯では大きな値となり波形劣化が著しいためゼロ分散波長を 1.55μm 波長帯にシフトした分散シフトファイバ (DSF) により 1.55μm 帯の高速通信が可能となった後に完全ゼロ分散は波長多重に不向きであることが判明しノンゼロ DSF(NZ-DSF) が開発された 29

30 30 波長分散 (Chromatic Dispersion) 概念波長分散とは光波形劣化!! Input Output 光ファイバ (D>0) 波長分散全波長成分が同じ時間に存在する光ファイバ中を進行する速度 ( 郡速度 ) 光波長成分ごとに異なる光波長分散によって光波形が広がる ( 歪む )

31 光ファイバの主な非線形光学効果屈折率変化 Kerr Effect 材料の屈折率 n = n + n E 光の強さ屈折率増加 n2: 材料の非線形屈折率係数 E : 光強度光信号時間波形 2 自己位相変調/相互位相変調 (Self/Cross Phase Modulation :SPM/XPM) 自身他者の光強度に応じた位相変調でスペクトル幅が広がり波長分散を介すると波形歪みに変換される四光波混合(Four Wave Mixing : FWM) 2波長間のビート信号により屈折率が変調され新たな波長成分を生成する WDM信号の場合 FWM光がクロストークとなり雑音が増加する誘導散乱誘導ラマン散乱(Stimulated Raman Scattering :SRS) 広帯域入射光の周波数がシフトして散乱される散乱された波長の信号が増幅される誘導ブリルアン散乱(Stimulated Brillion Scattering :SBS) 狭帯域入射光がSRSにより反射し光ファイバへの入力を増やすことが出来なくなる 31

32 光ファイバの非線形光学効果非線形光学効果とは光の強さに応じて光ファイバの特性屈折率などが変わる現象石英ガラスそのものは低非線形であるが損失が少ないため相互作用長が長くなりパワー1/10になるのに50km必要 0.2ｄB/km x50km=10db 直距離システムでは無視できない屈折率変化材料の屈折率 n = n0 + n 2 E 2 光の強さ屈折率増加 n2: 材料の非線形屈折率係数 E 2 : 光強度光信号時間波形自己位相変調 (Self Phase Modulation :SPM) 自身の光強度に応じた位相変調でスペクトル幅が広がり波長分散を介すると波形歪みに変換される 32

33 33 講演内容 1. 通信技術の変遷 2. 光通信システムの進化光海底ケーブル光ソリトン光空間多重 3. 近未来のサービス 4. 未知 ( 月と深海 ) への挑戦 5. まとめ

34 光海底ケーブル陸揚局陸揚局陸揚局太平洋横断システム ~10000km 光ケーブル最大水深 8000m 絶縁体光ファイバ光中継器外装給電路水深 <500m 水深 3000m 34

35 35

36 光海底ケーブルの種類外装ケーブル DA ケーブル水深 <500m SAM ケーブル水深 <1,000m 無外装ケーブル SAL ケーブル水深 <1,500m LWS ケーブル LW ケーブル水深 <3,000m 水深 >3,000m Cable Station 36 出典 OCC殿 36 36

37 光海底ケーブル敷設船 KDDI オーシャンリンク全長 133.16m 幅 19.6m 深さ 11.

37 37 光海底ケーブル敷設船 KDDI オーシャンリンク全長 m 幅 19.6m 深さ 11.6m 総トン数載荷重量ケーブルタンク容量航海速力 9,510 トン 6,270 トン 2,300m 3 (3 つの主タンクの合計 ) 15 ノット ( 時速約 28km)

38 38 光ケーブルの敷設 JAPAN Pacific Ocean USA

深度 2,000m まで潜航可能海中を自由に移動できる特性を活かし従来の調査装置やロボットと比べて光海底ケーブルの建設保守に優れた費用対効果を実現

39 光海底ケーブルの保守 ( 水中ロボット ) 自律走行式水中ロボット AQUA EXPLORER 2000 埋設用水中ロボット ROV MARCAS-III 母船とロボットを結ぶ制御ケーブルを必要としない無索式の自立走行式水中ロボット (AUV:Autonomous Underwater Vehicle) AQUA EXPLORER 2000 深度 2,000m まで潜航可能海中を自由に移動できる特性を活かし従来の調査装置やロボットと比べて光海底ケーブルの建設保守に優れた費用対効果を実現船上から遠隔操作される水中ロボットは ROV (Remotely Operated Vehicle) MARCAS: マーカス海底ケーブルを漁具や大型船のアンカーから守るためケーブルや中継器ケーブル接続箱などを埋設障害点の状況調査 39

40 陸上システムと海底システムの主な違い給電１万V以上電力制限両端(または片端の陸揚げ局から一定電流を供給例１Aｘ1万kmｘ0.7Ω/km+ ５Vｘ８４FP ｘ200中継 15000V 圧力 800気圧水深8000m 張力 7 8ｔ耐圧ケーブル中継器超高信頼性 25年の設計寿命の中で船による修理は3回以下ファイバの心線数数芯から10芯程度(スペース制限超長距離 1万以上特性劣化要因が著しい累積分散非線形 40

41 長距離光通信システム非線形との戦い光増幅中継システムであるTPC-5で５Gbit/sの信号速度を実現していたが WDM を導入したChina-USでは非線形劣化が顕著で信号速度を2.5Gbit/s NRZ) まで落とさざるを得なかった 10Gbit/s WDM長距離系での非線形対策技術非線形耐力があり所要SNRが低い RZ光パルスの導入低非線形化のために 980nm励起低雑音光増幅器の導入低非線形化のために大口径光ファイバの導入 Aeff:45mm2 DSF) 80mm2 (大口径NZ-DSF) 150mm2(最新ファイバ非線形と大きな累積分散の非可逆的波形劣化を避けるため NZ-DSFに適した分散マネージメント -D/+D) 広帯域分散補償に適した分散制御ソリトン同様の分散マネージメント +D/-D) 低非線形化のための伝送損失の低減ｄB/km) Y. Tamura et al., OFC2017, LA, Th5D1 (Mar. 2017) (住友電工 41

42 42 講演内容 1. 通信技術の変遷 2. 光通信システムの進化光海底ケーブル光ソリトン光空間多重 3. 近未来のサービス 4. 未知 ( 月と深海 ) への挑戦 5. まとめ

船が止まった後にできる波として見つかったこの波は非線形方程式の解であることが理論研究でわかった互いにぶつかっても姿を変えないなど粒子らしさがあるので

43 43 基本的な物理現象 : ソリトン Soliton:Solitary wave + on ( 粒子的 ) 1834 年 John Scott Russel : スコットランド運河での孤立波発見粒子の特徴をもつ孤立波波の 1 つの盛り上がりだけが進む 19 世紀前半英スコットランドの運河で船が止まった後にできる波として見つかったこの波は非線形方程式の解であることが理論研究でわかった互いにぶつかっても姿を変えないなど粒子らしさがあるので語尾に粒子名のような on" がついた安定していて高密度にできるので光通信などで応用研究が進む寄り添う波の頂を結ぶ線が孤立波の波形を描き全体としてソリトンを形づくるとき包絡ソリトンという

44 海岸のソリトン波の広がり ( 分散性 : 伝搬速度が周波数成分ごとに異なる ) 波の突っ起ち進行方向 ( 非線形性 : 水面の高いほうが早く進む ) 分散性と非線形性がバランスすると形が変わらないソリトンが作られる葛飾北斎富嶽三十六景 44

45 光ソリトン長谷川晃博士(当時 AT&Tベル研究所が1973年に非線形シュレディンガー方程式を導出その解として光ファイバ中のソリトンを理論導出光ソリトン通信方式伝送路である光ファイバの波長分散特性によるパルス広がりと非線形光学効果によるパルス圧縮とをバランスさせることで長距離伝送後もパルス形状が一定となる光短パルス信号で高速信号の長距離伝送に適している分散特性によるパルス広がりバランス非線形光学効果によるパルス圧縮送信光パルス信号が形を変えずにどこまでも伝わる 45

46 光ソリトンのたとえ ( マットレスを走る 3 人のランナ -) 光ソリトン波形中井重次郎遅井軽三郎早井軽太郎重いランナ中井重次郎がマットレスにくぼみを作るスピードの早いランナ早井軽太郎は坂道を登り減速される遅いランナ遅井軽三郎は坂道を下り加速される Evangelides (AT&T) 氏より 3 人の集団は形を変えずに走り続ける ( 硬い道を走った場合は 3 人は速度差により広がっていく ) 46

47 光ソリトン関連の主な研究ソリトンを光通信に応用したものが光ソリトンは光波形が変わることなく高速光信号を長距離伝送できる夢の通信として世界中で注目された 1973 光ソリトン伝送原理提案 (Hasegawa, AT&T) 1980 光ソリトン観測 (L. Mollenauer, AT&T) 1986 Gordon-Haus タイミングジッタ問題提起 (J. Gordon AT&T) 1988 分布光増幅中継器を用いたソリトン 6000km 長距離伝送 (L. Mollenauer, AT&T) 1989 EDFA を用いたソリトン伝送 (M. Nakazawa, NTT) 1995 分散制御光ソリトン伝送方式考案 (M. Suzuki, KDD) Gbit/s 10200km 分散制御光ソリトン伝送 (I. Morita, KDD) 47

48 光増幅システムにおける光ソリトン伝送本来の光ソリトンは固有値 : 一定分散 (D) と一定光強度 ( 非線形 ) のバランス ( ロスレス ) 損失のある実際の光ファイバ増幅システムでは : 一定分散と区間平均光パワーがバランス名称 : Guiding Center Soliton (Dr. A. Hasegawa, AT&T), Path-average soliton (Dr. L. Mollenauer, AT&T) Average soliton (Dr. N. Doran, BT), Dynamic soliton (Dr. M. Nakazawa, NTT) 分散シフト光ファイバ光強度光増幅器 :EDFA 区間平均光パワー ASE Noise 距離 48

49 49 Gordon-Haus タイミングジッタ到着時間の揺らぎ光ファイバの波長分散 2 D L 2 2 < Dt > ~ < D > Za L : Total system length D : fiber dispersion Za : amplifier spacing 3 光ファイバの非線形による中心周波数揺らぎ光増幅器による強度雑音距離の 3 乗分散の 2 乗に比例するため長距離系では致命的 1 タイムスロット (T=1/B) の約 1/12 のタイミングジッタで BER が 10-9 まで劣化光ソリトンは高速光信号を長距離伝送できる夢の通信として注目されていたが到着時間が揺らぐ問題があり暗礁に乗り上げていた

波長分散ｘ距離累積波長分散波長分散 + + 光光強強度度 0 伝送距離伝送距離 1/0の判定が誤りなく可能時間時間 (a) 光ファイバ伝送路構成 (b) 受信光信号波形

50 分散制御ソリトンによるタイミングジッタの抑制 1/0の判定不能従来技術累積波長分散波長分散ｘ距離累積波長分散一種類の光ファイバ一種類の光ファイバ光光強強度度時間時間伝送距離伝送距離 0 (a) 光ファイバ伝送路構成 (b) 受信光信号波形従来の光ソリトン方式を用いた高速光通信用伝送路構成と長距離伝送後の受信波形波長分散 + 新技術累積波長分散波長分散ｘ距離累積波長分散波長分散 + + 光光強強度度 0 伝送距離伝送距離 1/0の判定が誤りなく可能時間時間 (a) 光ファイバ伝送路構成 (b) 受信光信号波形分散制御光ソリトン方式を用いた高速光通信用伝送路構成と長距離伝送後の受信波形ソリトンを破壊すると信じられていた異なる性質の光ファイバ -の分散を組み合わせた時間の揺らぎなし波形の劣化もなし伝送限界は10倍以上に拡大 50

波形が周期的に分散が変動する光ファイバの非線形シュレディンガー方程式の安定な定常解であることが明らかなった対象ファイバも DSF から NZ-DSF(+ または -)

51 51 非線形を考慮した分散補償 ~ 分散制御光ソリトンの一般化 ~ KDDI の提案実証後ほぼすべてのソリトン研究者は純粋なソリトンから分散制御ソリトンの研究にシフトし多くの理論的実験的研究 (Aston 大学等 ) が進められその結果 Gauss 波形が周期的に分散が変動する光ファイバの非線形シュレディンガー方程式の安定な定常解であることが明らかなった対象ファイバも DSF から NZ-DSF(+ または -) SMF(+D/-D) 等に拡張され WDM とのコンパチビリティがある Dispersion Managed Soliton と称され一般化した ( 分散補償 1 区間内 : パルス幅伸縮 ) ( 周期的な観測点での伝送波形 ; 定常 Gauss 解 )

52 分散制御の広帯域化１Tbit/sの大洋横断光伝送実験 ~10Gbit/s x 100WDM, 7750km~ 分散制御の対象を波長分散だけでなく波長分散スロープへ拡張し分散制御の広帯域化 +D/-D) 10Gbit/sのRZ光信号を用いた100波長多重伝送において 7750 伝送に初めて成功しテラビット級の容量を有する大容量波光海底ケーブル伝送方式を確立 1999年/2000年:ECOC99-PD / OECC2000, T. Tsuritani et al.) D=-100ps/km/nm SMF SC-DCF SMF SC-DCF SMF SC-DCF Optical power [10dB/div] Accumulated Dispersion (ps/nm) D=18ps/km/nm SMF SC-DCF ln l Wavelength [nm] 伝送後の信号スペクトル 20 高組合せた時の分散特性 15 波長 Q2 [db] 波長分散正分散光ファイバ 10 十分な伝送特性を得るためのしきい値信号品質負分散光ファイバ 5 SMFとSC-DCF の波長分散特性商用ケーブル TGN-Pなど低 Channel number 伝送後の信号特性 52

53 1970 多重化技術長距離波長多重システムの Potential の最大化時間 (X100) (100M to 10G) 革新技術光ファイバ分散制御技術波長 (X1000) (10G to 10T) 空間 (X1000) (10T to 1P) Lasers Optical Fiber EDFA & WDM Digital Coherent 分散マネージメント Advanced DSP 非線形効果の抑制 (EDFA&WDM の Potential の最大化技術 ) 53

54 54 送信光波形主要太平洋横断光ケーブルサービス開始時期容量 / ファイバ (b/s) 信号速度 (b/s) 波長数ファイバペア数総容量 (b/s) 送信光波形ファイバタイプ TPC M 280M M NRZ SMF TPC M 560M G NRZ CSF TPC G 5G G NRZ DSF China-US G 2.5G G NRZ PC G 10G G RZ Japan-US G 10G G RZ VNSL-P (TGN-P) NRZ(Non-Return-to-Zero) パルス赤字 :10Gbit/s RZ 光パルスと分散制御光ファイバを用いたシステム RZ(Return-to-Zero) パルス G 10G T RZ Unity G 10G T RZ(DPSK) NZ-DSF (-D/+D) NZ-DSF (-D/+D) NZ-DSF (-D/+D) DMF (+D/-D) DMF (+D/-D) Faster T 100G T DP-QPSK SMF

55 伝送容量 (Tbit/s) 55 太平洋横断光ケーブル容量の推移研究開発成果が適用された光海底ケーブル EDFA+WDM Digital Coherent FASTER 1 TGN-P TPE Unity TDM TPC-3 TPC-4 WDM EDFA China-US TPC-5 Japan-US 西暦

56 分散制御光ファイバと10Gbps RZ光パルスが使用されているシステム赤色 TAT-14 TGN-P TAT-14 Unity PC-1 C2C EAC Japan-US 赤字 KDDIグループ会社が供給青字他社様が供給 56

57 KDDI 総合研究所のソリトン関連の研究開発分散制御光ソリトン通信方式 ( 基礎研究 ) 従来不可能とされた光ソリトン通信システムでの分散補償を初めて実証 ( 分散制御光ソリトン方式 )(1995) 信号到着時間揺らぎを抑制し高速光信号の伝送距離を 10 倍以上に拡大原論文は被引用回数が光通信分野で日本人最大 ( 工学全分野では青色 LED でノーベル賞受賞の赤崎天野氏 ) 波長多重用分散制御技術 ( 実用化研究 ) RZ 光パルス光源と波長多重用光ファイバの分散制御技術により超長距離波長多重光通信システムにおいて信号速度の高速化 (2.5Gbpsから10Gbpsへ) を実証 (10Gbps,16 波長多重 10850km )(1998 年 ) 分散制御を広帯域化し波長数を100 波長多重へ拡大した1Tbpsの大洋横断光伝送方式を確立 (10Gbps,100 波長多重 )(1999 年 ) 開発技術は太平洋大西洋アジアの多数の商用システムに適用 ( 総長 20 万km以上 ) 57

58 FASTER 日本米国間の新光海底ケーブル世界最大規模60Tbpsの大容量光海底ケーブル FASTER概要ネットワーク構成日本米国運用開始時期 2016年度第１四半期回線容量 60Tbps (100Gbps x 10波長 x 6FP) 総延長約9,000km 総建設費約3億米ドル約306億円 1964年 128回線 x734万/50年 2016年 9億4千万回線相当 60,000,000,000,000 bps 高精細映像 (15Mbps) を約400万人が同時にストリーミング視聴可能 FASTER共同出資者 KDDI (日本) Google (米国) China Mobile International (中国) China Telecom Global (中国) SingTel (シンガポール) Global Transit (マレーシア) 58

59 59 講演内容 1. 通信技術の変遷 2. 光通信システムの進化光海底ケーブル光ソリトン光空間多重 3. 近未来のサービス 4. 未知 ( 月と深海 ) への挑戦 5. まとめ

60 日米間の通信トラヒック量(KDDI) 光海底ケーブルは急増するインターネットトラヒックを収容するガス水道電気同様の社会インフラ KDDI日米間バックボーン : 年間約40%の伸び(10年後30倍以上) スマホ/LTEの急速な進展 (5G) 米国日本過去5年間平均増加率 % + 53% + 44% + 42% + 53% + 83% + 36% 日本米国 K/8K 伝送ビックデータ IoTの進展 60

61 光通信システムの将来課題 : 非線形シャノンリミット 61 R-J, Essiambre et al., Capacity limits of optical fiber network, JLT 28, pp , 2010 EDFA により損失の問題を解決 DSP の進展により線形劣化 ( 分散 PMD 等 ) はほぼ解決しかし非線形の問題は未解決非線形光学効果によりシャノンリミット ( 周波数利用効率伝送容量 ) は制限陸上では約 100Tbit/s 海底では約 50Tbit/s が物理的な伝送限界 ~ km ~ km Fiber loss:0.2db/km Aeff : 80mm 2 Span length: 100km All-Raman Amp

(0,1) T y x Single polarization Dual polarization コア exp[jk(r-r S )]

62 62 光信号多重化技術時間 d(t + nt S ) 周波数 exp(jn S t) I/Q 空間 imaginary Time Frequency cos( ) sin( ) OOK real QPSK M-QAM 偏波 e X = (1,0) T e Y = (0,1) T y x Single polarization Dual polarization コア exp[jk(r-r S )] single core multiple cores モード exp(jk S r) LP01 LP11a LP11b LP21a LP21b

伝送限界を超えるため EXAT研究会の発足新たな直交空間の活用:3M戦略 2008-2010

NICT) 2010から電子情報信学会EXAT研究会 marine x1000 x10 x10

Multi-core fiber x10 New generation Submarine

Transmission Related National Research Projects

Multiplexing Photonic Node 2010-2012 Copyright

63 伝送限界を超えるため EXAT研究会の発足新たな直交空間の活用:3M戦略 NICT EXAT Initiative) 委員長中沢東北大副委員長鈴木 KDDI) 盛岡 NICT) 2010から電子情報信学会EXAT研究会 marine x1000 x10 x10 Multi-mode Controlling Multi-level Modulation Multi-core fiber x10 New generation Submarine cable systems 容量1000倍 Triple Multi Techs EXA bit/s Transmission Related National Research Projects Research and Development of Space-Division Multiplexing Photonic Node Copyright KDDI Research, Inc. All Rights Reserved

64 光通信物理限界 (~100Tbps) を超えて従来従来の光ファイバ未使用の空間領域 ( クラッド ) 新技術新しい光ファイバ ~ マルチコアマルチモード光ファイバ ~ LP01 LP11a 光信号 LP01 LP11b 1 個のコア 1つの伝搬モード直径 10μm コア ( 光の通る部分 ) 直径 100~200μm 19 個のコア 6つの伝搬モード LP21a LP21b LP02 ( コア数分 x モード数分 ) x 波長多重数の伝送容量増加が可能! 64

65 65 最近の主な空間多重光伝送実験 (World Records) Number of cores 37-core, Fujikura(OFC2017) Number of modes 45-mode, Bell lab(ecoc2018) Spatial Multiplicity 114 (19-core x 6-mode), KDDI(OFC2015), NTT(OFC2016) Capacity Pbit/s, KDDI(ECOC2017) Spectral Efficiency bit/s/Hz, KDDI (ECOC2017) Capacity-distance product 4.59Ebit/s-km (0.52Pbit/s, 8830km), TE Subcom (ECOC2016) (Multi-level modulation) PS-4096QAM, 17.3bit/s/Hz, Bell labs(ofc2018) x 15 x 37 x10 Multi-level Modulation x 114 (19-core, 6-mode) x10 Multi-core fiber x 45 x10 Multi-mode Controlling

66 光通信も京の時代へ KDDI:10 ペタ (10,000,000,000,000,000) ビット / 秒光通信に成功 19- コア 6- モード光ファイバモード LP01 コア LP11a LP11b LP21a LP21b LP02 66

光通信京 1016 の時代へ 10.16 Pbit/s over 11.3-km transmission with 6-mode 19-core fiber D.

1 (KDDI) Q I LP01 LP11a LP11b 16QAM Q I Power 64QAM Frequency 144 Gbit/s or 96 Gbit/s Core

67 光通信京 1016 の時代へ Pbit/s over 11.3-km transmission with 6-mode 19-core fiber D. Soma et al., ECOC2017, PDP.A.1 (KDDI) Q I LP01 LP11a LP11b 16QAM Q I Power 64QAM Frequency 144 Gbit/s or 96 Gbit/s Core Mode WDM C+L bands QAM 739 ls LP21a LP21b LP02 6 modes 19 cores Pbit/s 8,4246チャネル ( 739WDM x 114SDM) で良好な伝送特性を確認総容量: Pbit/s 周波数利用効率 1.1Kbit/s/Hz 67

68 ファイバ総容量 (Tbit/s) 総容量 vs 周波数利用効率総容量 : Pbit/s (19 コア,6 モード ), KDDI (ECOC2017) 周波数利用効率 : bit/s/Hz (19 コア,6 モード ), KDDI (ECOC2017) X1000 コア & モード多重 : 10.16Pbit/s コア多重 : 2.15Pbit/s モード多重 : 280Tbit/s multi cores multi modes multi cores single mode coupled multi cores single core multi modes single core single mode 周波数利用効率 (bit/s/hz) 68

69 光ファイバ容量 [ ビット / 秒 ] 69 既存の光ファイバの物理的限界を超えて 10 ペタ 1 ペタ 100 テラ 10 テラ 1 テラ単一 SMF の伝送容量限界現在空間多重波長多重入力パワーの限界あと 10 倍! 最新の光ファイバ容量 100 ギガ 10 ギガ 1 ギガ 100 メガ時分割多重年 : 研究発表 ( 空間多重有り ) : 研究発表 ( 空間多重無し ) : 商用システム ( 単一波長 ) : 商用システム ( 波長多重 )

70 70 講演内容 1. 通信技術の変遷 2. 光通信システムの進化 3. 近未来のサービス 4. 未知 ( 月と深海 ) への挑戦 5. まとめ

71 5Gの技術課題 71 高速大容量低遅延多接続など多様な要件を一つのNWで実現高速大容量技術課題 1 20Gbps 高速大容量実現のための高い周波数帯の活用 1Gbps 5G 技術課題 2 4G 100万デバイス/k 多接続 10万 10ms 1ms 低遅延多様なサービスを一つのNWに収容できるアーキテクチャの実現 71

72 利用シーン開拓のための実証実験 72 5Gを活用した様々な実証実験により利用シーンを開拓スタジアムエンターテインメント ICT施工高精細映像中継高度セキュリティシステム多数の端末への映像配信高精細映像による建機の遠隔操作移動環境での 8K映像中継カメラやウェアラブル端末によるデータ中継沖縄県埼玉県東京都東京都 72

73 73 関連技術の開拓ライフタイル変革につながる技術開発を推進 73 コネクティッドカー自由視点 VR テレイグジスタンス音の VR 配車支援システム空飛ぶ基地局

74 SYNC DINNER 超臨場感通信テレプレゼンス 8K超高精細映像 74

75 75 講演内容 1. 通信技術の変遷 2. 光通信システムの進化 3. 近未来のサービス 4. 未知 ( 月と深海 ) への挑戦 5. まとめ

人を乗せて宇宙を目指す 2週間以内に2回 2007 Luna Xprize (月探査 2015 Ocean

76 XPRIZEとは 1995年に設立された米国の非営利組織である Xプライズ財団によって運営され人類の抱える課題を解決することを目的とした賞金付き世界コンペティション 1996 アンサリXprize 人を乗せて宇宙を目指す 2週間以内に2回 2007 Luna Xprize (月探査 2015 Ocean Discovery Xprize(石油探査深海探査 2018 ANA アバタ Xprize 分身ロボット遠隔制御宇宙月深海 76

77 宇宙への挑戦 77

78 au x HAKUTO への技術サポート Google Lunar XPRIZE 1 ローバーを 500m 以上走行させ 2 ローバーに搭載されたカメラで撮影した月面の動画や静止画データを地球に送信最初にミッションクリアしたチームに 2 千万ドルの賞金 ( 期限 2017 年末 ) au x HAKUTO 概要 KDDI が民間月面探査チーム HAKUTO

78 78 au x HAKUTO への技術サポート Google Lunar XPRIZE 1 ローバーを 500m 以上走行させ 2 ローバーに搭載されたカメラで撮影した月面の動画や静止画データを地球に送信最初にミッションクリアしたチームに 2 千万ドルの賞金 ( 期限 2017 年末 ) au x HAKUTO 概要 KDDI が民間月面探査チーム HAKUTO とオフィシャルパートナー契約締結し世界初の民間による月面探査レース Google Lunar XPRIZE の挑戦を発表研究所から通信技術をサポート中サポート技術概要 1 無線通信技術 : 月面通信に最適なアンテナ設計 ( 月面での反射障害物の影響回避 ) 2 画像伝送技術 : 月面月地球間 (38 万 km) での伝送エラー対策や月面特徴に最適な圧縮伝送制御

79 深海への挑戦 Shell Ocean Discovery XPRIZEへの挑戦 79

80 Shell Ocean Discovery XPRIZEとは賞金総額 $7 million ミッション支援母船なし水中ロボットシステムのみ無人オペレーション ROUND1 水深 2,000mで 16時間以内に 100km2以上の海底地形マップ構築海底ターゲットの写真撮影 5枚 ROUND2 水深 4,000mで 24時間以内に 250km2以上の海底地形マップ構築海底ターゲットの写真撮影 10枚スケジュール 2017年11月 2018年1日 ROUND１参加19チーム日本からはTeam KUROSHIOが参加 2018年3月7日 Team KUROSHIO ROUND2出場決定全世界から8チームが出場 2018年12月 Round2競技実施場所ギリシャカラマダ冲 80

81 海中はどんな環境? 高圧環境電波が使えない環境日光が届かない環境 10m 潜る毎に 1 気圧の圧力が増加つまり,1,000m 潜ると... ハイヒール : 断面積 (1cm 2 ) 力士 : 100kg 電波が使えない GPS が使えない無線 LAN が使えない通信や位置計測が非常に難しい日光約 200m までしか届かない踏まれる通信, 測位は音波のみ広範囲を照明するのは難しい海中ロボットは陸上のロボットに比べ過酷な環境 81

82 82 海中調査の道具研究船支援船アンビリカルケーブルダイバー ASV 洋上中継機 Autonomous Surface Vehicle 自律型海中ロボット Autonomous Underwater Vehicle 遠隔操作無人探査機 Remotely Operated Vehicle ROV AUV 有人潜水船

83 Round1で使ったAUV/ASV AUV AE2000a AE2000f 航行型2号機およびASV ORCA を用いてRound1に挑戦 AUV AE2000f AUV AE2000a 2000年 KDDIが海底ケーブル調査用に開発 2012 年東大に移管し海底資源調査に活躍中東京大学生産技術研究所東京大学生産技術研究所 AUV 航行型2号機 ASV 洋上中継器三井造船株式会社海上技術安全研究所 83

フリートブロードバンド陸上システム管制制御ソフト映像監視(VistaFinder) 調査エリア 24時間

84 電波も光も届かない深海での通信 KDDI総合研究所の技術衛星通信 ASV:洋上中継ネットワーク海中ロボットの追尾監視通信の中継水深 4000m 水中では音波が唯一の通信手段インマルサットフリートブロードバンド陸上システム管制制御ソフト映像監視(VistaFinder) 調査エリア 24時間 250km2 音響通信 ASV 複数AUV間 AUV間の音響通信の開発 AUV:自律型海中ロボット2台写真撮影ソナーで海底地形調査 84

85 85 まとめ 1850 年から現在そして未来への通信技術の変遷や近未来のサービス海宇宙への挑戦事例を紹介しました通信基盤である光技術として光ソリトン光海底ケーブル光空間多重技術を紹介し光通信にも京の時代が到来することを紹介しました新サービスとして次世代モバイル通信技術 5G に係わる実証試験を紹介するとともに月と深海への挑戦事例を紹介しました通信はすでに私たちの生活にはなくてはならない社会インフラとなっています将来もますます ICT の重要性は増大します世界中の皆様に笑顔を届けるためこれからも革新的通信技術へ挑戦し続けます

光海底ケーブルにおける光ファイバー伝送技術動向

光海底ケーブルにおける光ファイバー伝送技術動向高橋英憲 ( 株 )KDDI 総合研究所光トランスポートネットワークグループ KDDI( 株 ) 海底ケーブルグループ兼務クローハルネットワークオヘレーションセンター 1 光海底ケーブルシステム無中継伝送 : 島嶼 ( とうしょ ) 部など光パワーが減衰光増幅器による中継伝送 : 東京 ~ 大阪など都市間太平洋横断 (~1 万 km)