NTT 従来の2倍超の帯域幅通信「一括光増幅中継伝送実験」に成功　世界最大14.1THz帯域での光パラメトリック増幅　IOWN/6G技術

NTTは「光パラメトリック増幅」（OPA:Optical Parametric Amplifier)を用いた広帯域一括増幅中継器を世界で初めて構成し、OPA 中継器としては世界最大となる14.1THz帯域を実現、波長多重信号の一括光増幅中継伝送実験に成功したことを発表した。
物質中で生じる非線形光学効果を利用して、異なる波長の光同士を相互作用させることで、特定の波長の光を増幅する技術。

今回の成果は、光ファイバー上で使用可能な波長資源を、従来増幅中継器の3倍以上に拡張する技術の実現可能性を示したものであり、IOWN/6Gにおけるオールフォトニクス・ネットワークの拡張につながる将来の基盤技術として期待される。

従来の2倍以上となる帯域幅を実現

現在の光ネットワークでは、約4THzの増幅帯域をもつ光増幅器（EDFA）が広く用いられており、波長多重されたデジタルコヒーレント（デジタル信号処理とコヒーレント受信と組み合わせた高効率な光伝送方式）光信号を中継間隔約80kmで光のまま増幅中継し目的地まで長距離伝送しており、従来は既存の光ネットワークと同じ中継間隔を保ちつつ、伝送する1波長あたり光信号を高速化することによって伝送容量の拡大をはかってきた。

NTTが提唱するIOWNの基幹網となるオールフォトニクス・ネットワークにおいては、豊富な波長資源を活用したフレキシブルな光ネットワークの実現をめざしており、1波長あたりの光信号の高速化に加えて、利用可能な波長資源（光帯域）の拡大が求められている。

NTTでは、PPLN導波路を用いた光パラメトリック増幅を用いた広帯域増幅中継の可能性を世界に先駆けて実証してきたが、その中継間隔は30kmであり、増幅帯域と中継間隔の両立が技術課題となっていた。

今回、光パラメトリック増幅の帯域を最大限活用可能な光増幅中継器を世界で初めて構成し、従来の一括増幅帯域の2倍以上であるOPA中継器としては世界最大の14.1THzの一括増幅帯域幅を実現し、中継間隔 80km で最長400kmの広帯域一括光増幅中継伝送に成功した。

この成果は、NTT独自のPPLN導波路モジュール技術と光パラメトリック増幅の帯域制御技術の融合により達成され、2023年3月5日から3月9日に米国カリフォルニア州サンディエゴで開催された光通信技術に関する国際会議OFC2023 (The Optical Networking and Communication Conference &
Exhibition) 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された。

PPLN型光パラメトリック増幅中継器

本成果の光増幅中継器は、中継間隔80kmに対して十分な増幅利得を得るためプリアンプ部とポストアンプ部からなる2段構成を採用。また、光パラメトリック増幅で波長多重（WDM）信号を増幅する場合、WDM信号を基本波長 (λF) を中心に2つの波長帯域に分割して増幅する必要があるため、各増幅段は、長波長帯と短波長帯の信号増幅用の偏波多重信号に対応した特性のそろった増幅部で構成する必要がある。

今回試作したOPA光増幅中継器では、NTT の独自技術により実装した特性の揃った複数のPPLN導波路モジュールを実現・適用。さらに光パラメトリック増幅の帯域制御技術を適用し、増幅利得のピーク波長を基本波長から遠ざかる方向にシフトさせ、長波長側では、7.5THz以上、短波長側では、6.5THz以上まで光増幅帯域を拡大。
結果、一括増幅帯域としては14THz 以上の光増幅帯域を実現し、従来の実験例と比較し、2倍以上の広帯域化を達成した。

14.1THz 帯域一括光増幅中継伝送

今回、提案構成の光パラメトリック増幅中継器およびシングルモードファイバを用いて中継間隔80kmの周回伝送評価系（光増幅器や伝送路ファイバをループ状に接続し、光スイッチで光信号の入出力タイミングをコントロールすることで、少ない機材で長距離の光増幅中継伝送を試験できる実験方式）を構築し、広帯域光増幅中継伝送実験を実施。

評価用広帯域波長多重信号は、チャネル間隔137.5GHzを想定し、OPAの基本波長から短波側に48チャネル 6.6THz、 長波側に55チャネル、 7.56THzを配置。103チャネルの波長多重信号としての合計帯域は14.16THzとなる。また、各波長のデジタルコヒーレント信号として、シンボルレート（1秒間に光波形が切り替わる回数）が 132ギガボーの偏波多重 PCS-QAM信号（Probabilistic Constellation Shaping：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）を採用し、増幅中継伝送後の信号特性を評価した。

下図に示すように、400km(80km×5中継) 伝送後では、全波長で600ギガビット毎秒以上のビットレートかつ総容量70.4テラビット毎秒を得ており、中継間隔 80kmの光ファイバ伝送路において PPLN型光パラメトリック増幅中継器を用いて14.1 THz の広帯域一括光増幅中継伝送に成功している。

今後の展開について

本技術を用いることで、シングルモード光ファイバ上の波長資源が従来の3倍以上に拡大されることが期待される。特に、波長資源拡大技術は、下図に示すように波長当たりの高速化（マルチテラビット化）技術と融合することで、伝送容量と距離のスケーラビリティを大きく拡大する技術としても期待されている。

NTTでは、2030年代の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くとしている。

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