新しい伝送技術により既存光通信インフラの性能を飛躍的に向上

　NICTを中心とした国際共同研究グループは12月22日、国際標準に準拠したカットオフシフト光ファイバの伝送容量を拡大する新しい伝送技術により、430Tbpsの伝送実験に成功したと発表した。この結果は、国際標準準拠の光ファイバにおける伝送容量の世界記録となる。

　この伝送技術は、既存の光通信インフラで利用されている光ファイバでも、特定の波長帯の利用可能容量を約3倍に拡張できる革新的な方法だ。カットオフシフト光ファイバは、元々、商用の長距離光ファイバ伝送システムで利用されている波長帯において光ファイバ内の伝送経路がただ一つとなるように設計されていた。今回、研究グループは、今後の利用が期待され、長距離伝送で未利用の短い波長帯において、複数の伝送経路を用いた伝送を実現する技術を開発し、カットオフシフト光ファイバの元来の設計を超えた大容量伝送実験に成功した。今回の伝送技術は、通信需要が高まる将来において、既存の光通信インフラの伝送容量拡大に大きく貢献することが期待される。
　NICTは「本実験結果の論文は、デンマーク・コペンハーゲンにて開催された、ECOC 2025にて非常に高い評価を得て、最優秀ホットトピック論文（Post-deadline Paper）として採択され、現地時間2025年10月2日（木）に発表した」としている。

背景
　AIをはじめとするデータ駆動型のインターネットサービスの急速な普及により、光通信インフラの伝送容量の需要が急増している。近年、光ファイバ通信で利用可能な波長帯を広げるマルチバンドWDM技術の研究が進展している。この技術により、既存の光通信インフラに新しい波長帯を追加することで、光ファイバケーブルを増設することなく伝送容量を拡大できるため、経済的な大容量化手法として注目されている。
　NICTはこれまで、商用の長距離光ファイバ伝送システムで一般的に利用されるC帯およびL帯の波長帯に加え、今後の利用が期待されるS帯やE帯などの波長帯を活用できるシステムを開発し、大容量伝送の実証に成功してきた。さらに、より大きな伝送容量を実現するため、O帯やU帯の利用にも取り組み、波長帯の拡大を進めている。しかし、既存の光ファイバにおける低損失で利用可能な波長帯には限界があり、更なる伝送容量の拡大には、新しい光ファイバ伝送技術の開発が不可欠だ。

　今回、NICTは国際共同研究グループとともに、国際標準に準拠したカットオフシフト光ファイバにおいて、長距離光ファイバ伝送システムで利用されるC帯やL帯より短波長のO帯でマルチモード（3モード）伝送が可能であることを世界で初めて実証し、O帯の伝送容量を従来比で約3倍に拡大した。

　さらに、O帯での3モード伝送とE帯、S帯、C帯、L帯の単一モード伝送を組み合わせるため、カットオフシフト光ファイバを用いた広帯域WDM対応の単一モード・マルチモード統合光伝送システムを開発した。図1に示すように、3モード伝送が可能なO帯に209波長、単一モード伝送のE帯、S帯、C帯、L帯に706波長を配置し、総周波数帯域幅30.1テラヘルツ（1,280.4 nm〜1,608.9 nm）に及ぶ広帯域WDM光信号を生成した。この光信号は、偏波多重のQPSK、16QAM、64QAM、256QAM方式を用いることで高いビットレートを実現した。この光信号をカットオフシフト光ファイバで10 km伝送し、受信した光信号から理想的な誤り訂正符号の適用を仮定して推定したデータレート（一般化相互情報量（GMI:Generalized Mutual Information））は430.2Tbpsに達し、国際標準準拠の光ファイバにおける伝送容量の世界記録を達成した。また、一般的に使用される誤り訂正符号の場合のデータレートは、398.6 Tbpsとなった。表1は、今回の成果と過去の単一モード伝送のみを用いた広帯域WDM伝送実験の比較を表している。これらの結果は、マルチモード伝送技術によって、より少ない波長数・狭い周波数帯域で大容量伝送が可能であることを示している。この伝送技術は、既存の光ファイバケーブルを増設することなく伝送容量を拡大できる経済的な手法となる。

今後の展望
　Beyond 5G以降の光通信インフラを支えるため、NICTは超大容量を実現する革新的な光ファイバ伝送技術の研究開発を継続的に推進し、超大容量光伝送システムの伝送距離を拡大していく。さらに、導入コストや期間を抑えるため、既存の光通信インフラとの高い互換性を確保することをめざす。

今回開発された単一モード・マルチモード統合光伝送システムの詳細

　光ファイバ内のモード分布（図2内上部）では、長波長側で単一モード伝送、短波長側でマルチモード伝送となっている。以下にシステムの動作を示す。
　
① E、S、C、L帯の送信器において706波長の光信号を生成し、O帯の送信器I〜IIIにおいて209波長の光信号を生成し、測定波長の光信号に偏波多重QPSK、16QAM、64QAMもしくは256QAM変調を行う。その後、O、E、S、C、L帯に対応する光増幅器で信号を増幅する。

② 波長合波器を使って、O、E、S、C、L帯の基本モードの信号を合波する。その後、モード合波器を使って、基本モードと高次モードの信号を合波する。

③ カットオフシフト光ファイバを使って、10km伝送を行う。

④ 伝送後、O、E、S、C、L帯の光信号をモード分波器と波長分波器で分けて、光増幅器によって伝送損失を補償する。

⑤ O、E、S、C、L帯の受信器で光信号を受信し、データレートを測定する。

実験結果
　図4の伝送システムを用いた実験において、送信時に様々な変調方式を適用し、システムの伝送能力（データレート）の評価を行った。図5の実験結果のグラフは、理想的な誤り訂正符号の適用を仮定して推定したデータレート（GMI）を示す。多くの波長で400Gbpsを超えるデータレートを達成し、特にO帯ではマルチモード伝送により波長あたり最大900Gbpsに到達した。915波長合計で430.2Tbpsを実現した。