世界上首次用4芯光纤每秒成功传输1 PETA位

~通过宽带波分复用技术大幅扩大传输容量~

2022年5月19日

国立研究开发法人信息通信研究机构

重点

世界上首次成功地用标准外径的4芯光纤进行了每秒超过1 PETA bit的大容量传输实验大幅扩大使用的波段，实现了基于合计801个波长的宽带波分复用技术向实现以现有收发技术为基础的大容量化、支撑信息通信服务进化的主干类通信系统前进

国立研究开发法人信息通信研究机构( NICT能源与通信研究机构，理事长:德田英幸)网络研究所主任研究员本杰明·普特南等小组在研究开发用的标准外径( 0.125 mm ) 4芯光纤中使用宽带波分复用技术，世界上首次成功地进行了在同一光纤上每秒超过1 PETA bit的大容量传输实验。在这次实验中，几乎完全利用了一般不商用的波段( s波段)，与商用的波段( c波段、l波段)一起在20 THz的波段使用了801波长，实现了大容量。 此次，通过使用有望早期实用化的4芯光纤，且避免使用复杂的接收处理，不依赖于大规模专用电路的开发而实现了大容量化，向支持Beyond 5G以后的信息通信服务的进化的主干类通信系统的实现大幅前进。另外，本实验结果的论文在激光电子学国际会议( CLEO2022 )上获得非常高的评价，被通过为最佳热话题论文( Postdeadline Paper )，当地时间2022年5月19日(周四)发表。

背景

为了应对不断增加的通信量的新型光纤研究正在进行，近年来，能够在现有制造设备中进行电缆化的标准外径的新型光纤在市场上销售用于研究开发。 NICT通过新型光纤构建了各种各样的传输系统，实现了许多世界记录。 2020年12月，在信号收容密度高的15模光纤上成功进行了每秒1 PETA位的传输实验，但接收侧需要复杂的模式分离处理，实用化要求开发长期的大规模专用集成电路。 另外，4芯光纤在各芯中可以使用面向传统光通信系统的光收发技术，但在2020年3月使用4芯光纤的实验中，传输容量为每秒610 terabit。

这次的成果

图1本次传输系统

NICT使用标准外径的4芯光纤，构建了使用波分复用技术和多种光放大方式的传输系统，成功地进行了每秒1.02 PETA bit、51.7 km的传输实验。 到目前为止，NICT仍然使用了s波段的一部分，但在本实验中，通过将s波段用的拉曼放大进行宽带化，可以利用20 THz的频带，共计使用了801个波长。 此外，在所有频带中使用了信息密度高的256QAM调制方式，实现了每秒1.02 petabit传输。

表1本次成果与以往NICT成果的比较

传输容量(位/秒)

波长数频带共计変調方式

S帯C帯L帯合計

2020年3月0.61佩塔16119220856114太赫兹s波段: 64QAMc、l频带: 256QAM

这次的成果1.02佩塔33520026680120太赫兹256QAM

标准外径光纤在实际铺设的电缆化时，可以使用现有的制造设备。 另外，在多核方式的光纤通信中，可以利用传统的光通信系统用的光收发技术，不用等待模式分离用的大规模专用集成电路的完成，就可以期待大容量主干类通信系统的早期实用化。在Beyond 5G以后的社会中，身临其境的先进通信技术变得普及并普遍应用。 随着信息通信服务的发展，预计通信系统支撑的通信量也将急剧增加。 本成果将有助于尽早实现主干类通信系统，支持Beyond 5G以后普及许多新服务。

今后的展望

今后，为了继续提高光通信系统，将推进早期、长期两方面均可实用的标准外径光纤的研究开发，探索进一步提高性能的可能性。

另外，本实验结果的论文在作为光器件关系最大的国际会议之一的关于激光电子光学的国际会议( CLEO2022、5月15日(日)~5月20日(星期五) )上得到了非常高的评价，被选为最佳热门主题论文( Postdeadline Paper )，将于当地时间5月19日(周四)发表。

通过论文

国际会议: CLEO2022最佳热门主题论文( Postdeadline Paper )

論文名: 1 Pb/s Transmission in a 125μm diameter 4-core MCF

作者姓名: Benjamin J. Puttnam, Ruben S. Luís, Georg Rademacher, Yoshinari Awaji, and Hideaki Furukawa

过去的NICT的报道发表

・2021年6月21日“刷新世界纪录，用4芯光纤实现每秒319 terabit 3001 km传输”

・2020年12月17日“全球首个多模光纤每秒1 PETA bit传输成功”

补充资料

1 .本次开发的传输系统

图6本次开发的传输系统示意图

图6表示此次开发的传输系统的概略图。①使用光梳光源，批量生成具有801波不同波长的激光。②对多波长光进行偏振复用256QAM调制，附加延迟差，模拟为不同的信号序列。③各信号系列入射到4芯光纤的各芯。④传输④ 51.7 km长的4芯光纤。 为了通过拉曼放大补偿信号的传输损耗，使用耦合器向4芯光纤入射必要的激励光。⑤分别接收各核心的信号，测量传输错误。

2 .这次实验结果

图7这次的实验结果

在上述图6的实验系统中，在发送接收时应用纠错处理等各种编码，进行了用于使系统的传输能力(数据速率)最大化的验证。 通过使用理想纠错，4芯、总波长的合计数据速率(图7红圈的合计)达到了每秒1 PETA bit。图7蓝色虚线内的4色图线是每个芯部的各波长的数据速率，由于芯部依赖性少，所以重叠。 最多为每秒340千兆位左右，总波长合计为每秒250兆位左右。

用语解说

图2广泛使用的标准外径光纤示意图

标准外径光纤

国际标准规定，光纤玻璃(包层)的外径为0.125±0.0007 mm，被复层的外径为0.235〜0.265 mm。 目前在光通信中广泛使用的光纤是外径为0.125 mm的单核单模光纤，每秒250 terabit被认为是传输容量的极限，新型光纤的研究开发方兴未艾。

波長多重技術

虽然能够通过一根光纤传输不同波长的光信号的方式，与波长数成比例地提高传输容量，但是适合于光传输的波长频带有限，用于当前的光传输系统的波长数为90度左右。

petabit、terabit

1兆位为1，000兆位，1 terabit为1兆位，1千兆位为10亿位。 每秒1 petabit相当于每秒8K广播的1，000万频道。

波段主要用于通信用途的c波段(波长1，530-1，565 nm )和l波段( 1，565-1，625 nm )，以及o波段( 1，260-1，360nm )、e波段( 1，360-1，460 nm ) 这次，在s波段中也添加了短波长( 1，460-1，490 nm )进行使用。

図3 光通信波長帯域

新型光纤目前，用于中长距离通信的标准单核单模光纤的容量极限被认为是每秒250 TB左右。 为了解决该问题，增加了芯(光的通道)的多核光纤、多模多核光纤的研究正在进行。

图4迄今为止NICT实施了传输实验的主要标准外径光纤及其实验结果

图5迄今为止NICT使用标准外径光纤证实的传输容量

模式分离处理在光信号的到达时间根据模式而不同的多模式传输中，在进行模式分离时，几乎一定需要MIMO (多输入多输出)处理。 MIMO是一种用于在无线通信中消除多路径干扰的信号处理技术，它用于消除在光通信中在同一光纤中传输的不同光信号之间的干扰。 根据每一模式的传播速度差，MIMO处理的负荷变高，并且随着传输距离的增加，模式分离变得困难。

光放大方式光纤与同轴电缆等相比传输损耗非常小，但是在超过几十km的传输中光信号衰减。 因此，在长距离传输系统中，需要使用光放大器来补偿传输损耗。 光放大方式有使用添加稀土类光纤的放大、拉曼放大、半导体光放大。 这次，使用了添加稀土类光纤的放大和拉曼放大。

拉曼放大利用作为光纤材料的玻璃素材中的受激拉曼散射的光信号放大方式。 与掺稀土类光纤光放大器一样，通过大功率的激励光的照射，会产生更长波长的信号光的放大现象。

256QAMQAM是同时使用光的相位和振幅来表现多个比特的方式(多值调制)的一种。 256QAM在一个符号可能的相位空间上具有256个点，并且可以在一个符号上发送8比特的信息( 28=256条)，同时发送8倍于ook (开启-关闭关键帧)的信息。

有关本案的咨询地址

网络研究所光子ICT研究中心光子网络实验室

坂口 淳、古川 英昭

E-mail: PNS.web

ml.nict.go.jp

宣传(采访受理)

宣传部新闻室

E-mail: publicity

nict.go.jp