計算量1/100以下で、超高速コヒーレント信号受信に成功

光通信では、光の波動としての3つの要素である強度、タイミング(位相)、色(波長又は周波数)のいずれかを高速に変化させることで、“0”,“1”のデジタル信号(ビット)を伝えます。光コヒーレント通信は送信側と受信側で位相を正確に合わせ、3つの要素を駆使し、一度の変化で複数のビットを伝えることを可能とするものです。コヒーレント通信は、電波を使った無線通信ではすでに広く使われている方法ですが、光の振動の速さは、電波のそれと比べて 10,000倍以上であるために、位相の制御が困難でした。これに対して、最近、高速デジタル信号処理で位相のずれを計算で推定し、補正するという方法 (デジタルコヒーレント)が注目を集めています。しかし、この方法では位相の推定・補正の他にも様々な機能が実現できる反面、高い信号処理能力が必要となり、これまでは疑似的に計算機上で信号処理を行う研究報告がほとんどで、リアルタイム処理は困難でした。また、高い信号処理能力と低消費電力化の両立も大きな課題でした。

今回、通常のデジタルコヒーレント信号処理と比べて、大幅に少ない計算量で送信側と受信側の位相のずれを補正する手法を開発し、12.5Gbaud位相変調信号のリアルタイムコヒーレント信号受信に成功しました。本手法では、光信号の一部をサンプルするのみで位相を補正できるため、安価な汎用信号処理チップで所要計算量従来比1/100以下の大幅な消費電力低減を期待できます。また、これまで信号処理能力の限界で困難であった変調速度を向上でき、100Gbpsを超える超高速伝送を身近にする技術として期待できます。光ディスクに収められたハイビジョン動画を現在の家庭向け光ファイバ通信(100Mbps)で転送すると60分以上かかりますが、100Gbpsではわずか4秒以下で送ることができるようになります。

増大するデータ伝送需要を支える実用技術として社会に貢献することを目指し、さらなる高速化、低消費電力化、低コスト化を進めて参ります。なお、本実験結果を光ファイバ通信国際会議(OFC/NFOEC 2010、3月21-25日、米国サンディエゴ)において発表いたしました。

光は波動としての性質を持つ。その波動のタイミングを光位相と呼ぶ。コヒーレント通信では光位相に情報を載せるため、位相の制御が重要となる。

信号変化(変調)速度を表す指標。1ギガボー(Gbaud)は1秒あたり10億回の変化を意味する。一度の変化で1ビットを伝送するという最も単純な変調方式の場合、10Gbaudは10Gbpsに相当する。ビット(bit)は0/1でデジタル化された情報の最小単位。一度に複数ビット(例えば4ビット)を伝送する場合、10Gbaudは40Gbpsに相当する。高速変調(高いボーレート)を実現するためには各デバイス、信号処理部分の高速化が必須となる。

光の様々な要素(強度、位相、周波数)を駆使して、受信感度(弱い光でも適切に信号を受け取る能力)、伝送速度(一度の変調で送ることのできるビットの数)などを向上する。送信側の光位相と、受信側の光位相を適切に合わせる必要がある。次世代の高速伝送技術として期待されている。

伝送速度を表す指標。1秒あたりで伝えることのできるビット数を意味する。従来の一度の変化で1ビットを伝送するという単純な変調方式の場合、bpsとbaudは同じ値になり、区別されずに混用されることもある。最近では高度な変調方式により、一度の変調で複数のビットを送る方式が多数報告されており、この場合bpsがbaudより大きな値となる。