世界最高速、1波長あたり毎秒2テラビット超の光伝送実験に成功 ～IOWN/6Gにおけるオールフォトニクス・ネットワークの大容量化・長距離化技術として期待～
日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田 明、以下「NTT」）は、世界最高速となる（※1）1波長あたり毎秒2テラビットを超えるデジタルコヒーレント（※2）光信号の光伝送実験（以下「本実験」）に成功しました。
本実験では、NTTが独自に開発した超広帯域ベースバンド増幅器IC（※3）モジュールと、光送受信回路の歪みを超高精度に補償可能なデジタル信号処理技術との高度な融合により、世界で初めて、1波長あたり毎秒2テラビットを超えるデジタルコヒーレント光信号の送受信を実証し、毎秒2.02テラビット光信号の240km光増幅中継伝送実験に成功しました。
本成果は、従来の実用レベルの2倍以上となる波長当たりの大容量化と長距離化を両立可能なデジタルコヒーレント光伝送技術の更なるスケーラビリティの可能性を示したものであり、将来のIOWN（※4）/6Gにおけるオールフォトニクス・ネットワークの実現につながるコア技術として期待されます。本技術の詳細は、9月18日からスイス、バーゼルで開催される国際会議ECOC2022（European Conference on Optical Communication）の最難関発表セッションであるポストデッドライン論文として発表予定です。
1．研究の背景
将来の様々な社会課題を解決する5Gサービスの普及と将来のIOWN/6Gサービスの実現に向け、通信トラフィックは今後も増え続けることが予測されています。IOWNの基幹光通信ネットワークであるオールフォトニクス・ネットワークにおいてはさらなる大容量化を経済的に実現することが求められています。将来的には1.6テラビット毎秒以上の超高速イーサネット信号などを経済的に長距離伝送するためには、光信号1波長あたりの伝送容量を拡大することが有効であり、信号のシンボルレート（※6）を上げ、1シンボルあたりの情報量を最適化することで、1波長あたり毎秒マルチテラビット（毎秒2テラビット）以上の長距離光伝送の実現が望まれています。
1波長あたりの伝送容量を拡大するためには、シリコンCMOS（※7）による半導体回路の速度限界を克服する必要があります。これまでNTTではAMUXを用いてシリコンCMOSの速度限界を打破する帯域ダブラ技術を使った光伝送方式ならびに集積デバイスの研究開発を進めており、100ギガボーを超えるシンボルレートの光信号生成に成功しています(※8)。しかしながら、毎秒マルチテラビット以上の光伝送の実現には、光送受信機内の電気の増幅器（光変調器駆動用のドライバアンプ）の更なる広帯域化と高出力化の両立が課題となります。加えて、更なる高速化に従って、光送受信回路部の理想からのずれ（信号経路長差や信号経路による損失ばらつき等）を極めて高精度に補償する技術が必要であり、1波長あたり毎秒マルチテラビット以上の光信号を生成することは困難でした。
2．研究の成果
今回、世界で初めて、1波長あたり毎秒2テラビットを超えるデジタルコヒーレント光信号の送受信を実証し（図1左図）、毎秒2.02テラビット光信号の240km光増幅中継伝送実験に成功しました（図1右図）。本成果は、NTT独自の超広帯域ベースバンド増幅器ICモジュールと、超高精度なデジタル信号処理技術の高度な融合により達成されました。
2.1 超広帯域ベースバンド増幅器ICモジュール
これまでNTTで研究開発を進めてきたInP系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（InP HBT）技術（※9）による超広帯域ベースバンド増幅器IC（※3）を、110GHzまでの周波数に対応する1mm同軸コネクタ付きのパッケージに実装し、超広帯域性能（図2左図）と十分な利得と出力パワーを有するモジュールの実現に成功しました（図2右図）。今回、本ベースバンド増幅器ICモジュールを光変調器駆動用のドライバアンプとして適用しました。
2.2 デジタル信号処理技術による超高精度な光送受信回路歪補償技術
NTTで開発したInP HBT技術による超広帯域ベースバンド増幅器ICモジュールにより、超高速信号の生成が可能となりました。しかし、光変調器駆動用のドライバアンプとして使用する際には高パワー出力領域での動作が求められるため、ドライバアンプ出力の非線形性（入力パワーに対して出力パワーが比例しないこと）が問題となり、光信号の品質（信号帯雑音比）が劣化してしまいます。加えて、超高速信号では、光送受信機内部の理想からのずれによる信号品質の劣化が顕著に現れます。
本実験では、NTTが有する世界最先端のデジタル信号処理技術により、変調器ドライバで生じる非線形歪み、および光送受信機内部の理想からのずれを超高精度に補償することにより、超広帯域ベースバンド増幅器ICモジュールの動作範囲を拡大し、光信号の品質の改善に成功しました（図3）。この高品質な超高速光信号を用いて、光増幅中継伝送実験を実施しました。176ギガボーの超高速光信号に対して、信号点の分布を最適化したPCS-144QAM（※5）方式を適用して、最大2.11テラビット毎秒の光信号を生成しました。更に、伝送距離に応じて最適な情報量を割り当てる技術により、2.02テラビット毎秒の光信号を240km伝送することに成功しました（図4）。
3．今後の展開
本技術を用いることで、１波長で2テラビット毎秒を超える光信号を多数波重多重した大容量信号を高信頼に伝送することが期待されます。特に、光信号の変調速度の高速化技術は、１波長当たりの大容量化に資するだけでなく、図5に示すように波長資源拡張技術(※10)と融合することにより、大容量信号が長距離伝送可能になる技術としても期待されています。NTTでは、IOWN/6Gにおけるオールフォトニクス・ネットワークの実現に向けて、独自のデバイス技術、デジタル信号処理技術、光伝送技術の融合を深化させ、研究開発を進めていきます。
【用語解説】
※1 2022年9月現在。NTT調べ。
※2 デジタルコヒーレント：
デジタルコヒーレント技術とは、デジタル信号処理とコヒーレント受信と組み合わせた伝送方式です。コヒーレント受信とは、受信側に配置した光源と、受信した光信号を干渉させることにより、光の振幅と位相を受信することが可能な技術です。偏波多重や位相変調などの変調方式により周波数利用効率を向上させるとともに、デジタル信号処理を用いた高精度な光信号の補償と、コヒーレント受信により、大幅な受信感度向上を実現します。
※3 超広帯域ベースバンド増幅器IC：
NTTが開発した世界で最も広い帯域を有する超広帯域ベースバンド増幅器IC（Integrated Circuit：集積回路）です。独自の高精度回路設計技術と、広帯域化を可能とする新しい回路アーキテクチャ技術を適用した増幅器ICをInP-HBT（※9）で実現しています。
NTTニュースリリース「世界で最も広い241ギガヘルツの帯域を有する増幅器ICを実現 ～次世代データセンタやBeyond 5G向けの汎用超高速デバイス技術として期待～」
https://group.ntt/jp/newsrelease/2019/06/03/190603b.html
※4 IOWN：
NTTニュースリリース「NTT Technology Report for Smart World：What’s IOWN?」の発表について
https://group.ntt/jp/newsrelease/2019/05/09/190509b.html
※5 PCS-144QAM：
PCS（Probabilistic Constellation Shaping）とは、情報理論に基づき信号点の分布と配置を最適化することにより、信号伝送に必要な信号対雑音比の条件を軽減する技術です。QAM（Quadrature Amplitude Modulation）とは、信号光の振幅と位相の両方に情報を乗せる変調方式で、144QAMは144点の信号点を有しています。PCS技術をQAM方式に適用することにより、伝送路条件に応じて信号品質を最適化することが可能となります。
※6 シンボルレート：
1秒間に光波形が切り替わる回数。176ギガボーの光信号は、光波形を1秒間に1760億回切り替えて情報を伝送しています。
※7 CMOS：
相補型金属酸化膜半導体。半導体集積回路を実現する構造としてCPUなど大規模な機能を実現する場合に用いられます。大容量光伝送の送受信では信号量が多いためこのタイプの回路が多く用いられています。微細化により高速化が進んでいますが、高速性の面では化合物半導体の方が優れています。
※8 NTTニュースリリース「1波長あたり毎秒1テラビットを長距離伝送する世界初の波長多重光伝送実験に成功～IoTや5Gサービス普及に対応する大容量通信ネットワーク技術として期待～」
https://group.ntt/jp/newsrelease/2019/03/07/190307a.html
※9 InP系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（InP HBT）：
III-V族半導体のリン化インジウムを用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ。高速性と耐圧に優れるトランジスタです。
※10 波長資源拡大技術：
NTTニュースリリース「世界初、光パラメトリック増幅器による広帯域光増幅中継伝送に成功 ～従来光増幅器の2倍超の大容量化が可能に～」
https://group.ntt/jp/newsrelease/2021/01/28/210128b.html
本実験では、NTTが独自に開発した超広帯域ベースバンド増幅器IC（※3）モジュールと、光送受信回路の歪みを超高精度に補償可能なデジタル信号処理技術との高度な融合により、世界で初めて、1波長あたり毎秒2テラビットを超えるデジタルコヒーレント光信号の送受信を実証し、毎秒2.02テラビット光信号の240km光増幅中継伝送実験に成功しました。
本成果は、従来の実用レベルの2倍以上となる波長当たりの大容量化と長距離化を両立可能なデジタルコヒーレント光伝送技術の更なるスケーラビリティの可能性を示したものであり、将来のIOWN（※4）/6Gにおけるオールフォトニクス・ネットワークの実現につながるコア技術として期待されます。本技術の詳細は、9月18日からスイス、バーゼルで開催される国際会議ECOC2022（European Conference on Optical Communication）の最難関発表セッションであるポストデッドライン論文として発表予定です。
1．研究の背景
将来の様々な社会課題を解決する5Gサービスの普及と将来のIOWN/6Gサービスの実現に向け、通信トラフィックは今後も増え続けることが予測されています。IOWNの基幹光通信ネットワークであるオールフォトニクス・ネットワークにおいてはさらなる大容量化を経済的に実現することが求められています。将来的には1.6テラビット毎秒以上の超高速イーサネット信号などを経済的に長距離伝送するためには、光信号1波長あたりの伝送容量を拡大することが有効であり、信号のシンボルレート（※6）を上げ、1シンボルあたりの情報量を最適化することで、1波長あたり毎秒マルチテラビット（毎秒2テラビット）以上の長距離光伝送の実現が望まれています。
1波長あたりの伝送容量を拡大するためには、シリコンCMOS（※7）による半導体回路の速度限界を克服する必要があります。これまでNTTではAMUXを用いてシリコンCMOSの速度限界を打破する帯域ダブラ技術を使った光伝送方式ならびに集積デバイスの研究開発を進めており、100ギガボーを超えるシンボルレートの光信号生成に成功しています(※8)。しかしながら、毎秒マルチテラビット以上の光伝送の実現には、光送受信機内の電気の増幅器（光変調器駆動用のドライバアンプ）の更なる広帯域化と高出力化の両立が課題となります。加えて、更なる高速化に従って、光送受信回路部の理想からのずれ（信号経路長差や信号経路による損失ばらつき等）を極めて高精度に補償する技術が必要であり、1波長あたり毎秒マルチテラビット以上の光信号を生成することは困難でした。
2．研究の成果
今回、世界で初めて、1波長あたり毎秒2テラビットを超えるデジタルコヒーレント光信号の送受信を実証し（図1左図）、毎秒2.02テラビット光信号の240km光増幅中継伝送実験に成功しました（図1右図）。本成果は、NTT独自の超広帯域ベースバンド増幅器ICモジュールと、超高精度なデジタル信号処理技術の高度な融合により達成されました。
2.1 超広帯域ベースバンド増幅器ICモジュール
これまでNTTで研究開発を進めてきたInP系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（InP HBT）技術（※9）による超広帯域ベースバンド増幅器IC（※3）を、110GHzまでの周波数に対応する1mm同軸コネクタ付きのパッケージに実装し、超広帯域性能（図2左図）と十分な利得と出力パワーを有するモジュールの実現に成功しました（図2右図）。今回、本ベースバンド増幅器ICモジュールを光変調器駆動用のドライバアンプとして適用しました。
2.2 デジタル信号処理技術による超高精度な光送受信回路歪補償技術
NTTで開発したInP HBT技術による超広帯域ベースバンド増幅器ICモジュールにより、超高速信号の生成が可能となりました。しかし、光変調器駆動用のドライバアンプとして使用する際には高パワー出力領域での動作が求められるため、ドライバアンプ出力の非線形性（入力パワーに対して出力パワーが比例しないこと）が問題となり、光信号の品質（信号帯雑音比）が劣化してしまいます。加えて、超高速信号では、光送受信機内部の理想からのずれによる信号品質の劣化が顕著に現れます。
本実験では、NTTが有する世界最先端のデジタル信号処理技術により、変調器ドライバで生じる非線形歪み、および光送受信機内部の理想からのずれを超高精度に補償することにより、超広帯域ベースバンド増幅器ICモジュールの動作範囲を拡大し、光信号の品質の改善に成功しました（図3）。この高品質な超高速光信号を用いて、光増幅中継伝送実験を実施しました。176ギガボーの超高速光信号に対して、信号点の分布を最適化したPCS-144QAM（※5）方式を適用して、最大2.11テラビット毎秒の光信号を生成しました。更に、伝送距離に応じて最適な情報量を割り当てる技術により、2.02テラビット毎秒の光信号を240km伝送することに成功しました（図4）。
図3：超高精度な光送受信回路歪補償による超広帯域ベースバンド増幅器の動作範囲拡大
3．今後の展開
本技術を用いることで、１波長で2テラビット毎秒を超える光信号を多数波重多重した大容量信号を高信頼に伝送することが期待されます。特に、光信号の変調速度の高速化技術は、１波長当たりの大容量化に資するだけでなく、図5に示すように波長資源拡張技術(※10)と融合することにより、大容量信号が長距離伝送可能になる技術としても期待されています。NTTでは、IOWN/6Gにおけるオールフォトニクス・ネットワークの実現に向けて、独自のデバイス技術、デジタル信号処理技術、光伝送技術の融合を深化させ、研究開発を進めていきます。
【用語解説】
※1 2022年9月現在。NTT調べ。
※2 デジタルコヒーレント：
デジタルコヒーレント技術とは、デジタル信号処理とコヒーレント受信と組み合わせた伝送方式です。コヒーレント受信とは、受信側に配置した光源と、受信した光信号を干渉させることにより、光の振幅と位相を受信することが可能な技術です。偏波多重や位相変調などの変調方式により周波数利用効率を向上させるとともに、デジタル信号処理を用いた高精度な光信号の補償と、コヒーレント受信により、大幅な受信感度向上を実現します。
※3 超広帯域ベースバンド増幅器IC：
NTTが開発した世界で最も広い帯域を有する超広帯域ベースバンド増幅器IC（Integrated Circuit：集積回路）です。独自の高精度回路設計技術と、広帯域化を可能とする新しい回路アーキテクチャ技術を適用した増幅器ICをInP-HBT（※9）で実現しています。
NTTニュースリリース「世界で最も広い241ギガヘルツの帯域を有する増幅器ICを実現 ～次世代データセンタやBeyond 5G向けの汎用超高速デバイス技術として期待～」
https://group.ntt/jp/newsrelease/2019/06/03/190603b.html
※4 IOWN：
NTTニュースリリース「NTT Technology Report for Smart World：What’s IOWN?」の発表について
https://group.ntt/jp/newsrelease/2019/05/09/190509b.html
※5 PCS-144QAM：
PCS（Probabilistic Constellation Shaping）とは、情報理論に基づき信号点の分布と配置を最適化することにより、信号伝送に必要な信号対雑音比の条件を軽減する技術です。QAM（Quadrature Amplitude Modulation）とは、信号光の振幅と位相の両方に情報を乗せる変調方式で、144QAMは144点の信号点を有しています。PCS技術をQAM方式に適用することにより、伝送路条件に応じて信号品質を最適化することが可能となります。
※6 シンボルレート：
1秒間に光波形が切り替わる回数。176ギガボーの光信号は、光波形を1秒間に1760億回切り替えて情報を伝送しています。
※7 CMOS：
相補型金属酸化膜半導体。半導体集積回路を実現する構造としてCPUなど大規模な機能を実現する場合に用いられます。大容量光伝送の送受信では信号量が多いためこのタイプの回路が多く用いられています。微細化により高速化が進んでいますが、高速性の面では化合物半導体の方が優れています。
※8 NTTニュースリリース「1波長あたり毎秒1テラビットを長距離伝送する世界初の波長多重光伝送実験に成功～IoTや5Gサービス普及に対応する大容量通信ネットワーク技術として期待～」
https://group.ntt/jp/newsrelease/2019/03/07/190307a.html
※9 InP系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（InP HBT）：
III-V族半導体のリン化インジウムを用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ。高速性と耐圧に優れるトランジスタです。
※10 波長資源拡大技術：
NTTニュースリリース「世界初、光パラメトリック増幅器による広帯域光増幅中継伝送に成功 ～従来光増幅器の2倍超の大容量化が可能に～」
https://group.ntt/jp/newsrelease/2021/01/28/210128b.html
