光交換の世界記録、毎秒53.3テラビット光信号の高速スイッチング実験に成功

～大規模データセンタでのビッグデータの瞬時転送に期待～

2017年10月2日

国立研究開発法人情報通信研究機構

ポイント

1回の経路切替時間80ナノ秒の光スイッチシステム、1秒間に390万回のスイッチングを達成
1秒間に非圧縮8K映像370チャネル相当の光信号に対応可能
光スイッチシステムと次世代光ファイバで、大規模データセンタの省スペース化・省エネ化に貢献

NICTネットワークシステム研究所は、光ファイバで伝送されたパケット信号の経路を切り替える光交換技術において、従来の世界記録を4倍以上更新し、毎秒53.3 テラビットの光パケット信号のスイッチング実験に成功しました。

本実験では、次世代光ファイバ技術である大容量マルチコア光ファイバに接続可能な高速並列光スイッチシステムを開発し、各コアの光信号の一括切替えに成功しました。1回の経路切替えに要する時間は80 ナノ秒と高速で、1秒間に390万回以上のスイッチングを達成しました。

今回の実験成功により、光スイッチシステムが大規模データセンタなどのビッグデータが流通するネットワークのスイッチとして適応可能であることを示しました。次世代光ファイバと光スイッチシステムを利用すると、ネットワーク装置の設置スペースの大幅な縮小や消費電力の低減が可能となります。

なお、本論文は、第43回欧州光通信国際会議（ECOC2017）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）として採択されました。

背景

ネットワークを流れる情報量が世界規模で急増し、従来の光ファイバを更に増設する方法では、将来の通信需要にこたえられなくなることが見込まれます。そこで、NICTは産学と連携し、1本の光ファイバに7個から36個の光通信路（コア）を収めたマルチコア光ファイバを開発し、伝送容量の世界記録を更新してきました。

さらに、マルチコア光ファイバで構成された網状の通信路を伝わる情報の経路を自在に設定し、瞬時に変更する交換機能を実現するため、光スイッチシステムの研究開発を進めてきました。

今回の成果

高速スイッチング実験の写真

今回NICTは、新たに高速並列光スイッチシステムを開発しました（図1）。この光スイッチシステムとこれまで開発したマルチコア光ファイバを接続し、毎秒53.3テラビットの7 コア多重光パケット信号のスイッチング実験に成功しました（図2）。この速度は従来の世界記録を4倍以上更新し、1秒間に非圧縮8K映像370チャネル相当の光信号に対応可能なものです。

本スイッチシステムは、以下の要素技術から構成されます。

・小型で繰り返し高速切替えを行う新型並列光スイッチ
（NICT委託研究「大規模フラットネットワーク基盤技術の研究開発」の成果の一部を利用）

・光パケット信号の宛先に応じ、複数の新型並列光スイッチを同時に駆動させるスイッチコントローラ

本スイッチシステムは、わずか80ナノ秒の時間で7コア多重光パケット信号の宛先を判断し、一括で同じ経路に切り替えることができます。例えば、通信幹線における無瞬断の経路変更や大規模データセンタにおけるビッグデータの瞬時転送等が可能となります。また、マルチコア光ファイバと本スイッチシステムを利用することで、データセンタのネットワーク装置の設置スペースの大幅な縮小や消費電力の低減が可能です。

今後の展望

今後、光スイッチシステムの実用化を目指して、産学官連携による研究開発の取組を積極的に推進し、光ネットワークの更なる高速化技術の研究開発に取り組んでいきます。

なお、本実験の結果は、スウェーデンで開催された光ファイバ通信関係最大の国際会議の一つである第43回欧州光通信国際会議（ECOC2017、9月17日（日）～9月21日（木））で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9月21日（木）に発表しました。

採択論文

国際会議：第43回欧州光通信国際会議（ECOC2017）最優秀ホットトピック論文（Post Deadline Paper）

URL： http://ecoc2017.org/programme/post-deadline-paper/

論文名：Experimental Demonstration of a 53 Tb/s Coherent SDM-TDM Add/Drop/Through Optical Network with Time-division Spatial Super-channels and High-speed Joint Switching System

著者名：José Manuel Delgado Mendinueta, Satoshi Shinada, Ruben S. Luís, Yusuke Hirota, Hideaki Furukawa, Hiroaki Harai and Naoya Wada

補足資料

1.　今回開発した高速並列光スイッチシステム

図1 これまでのNICTの光スイッチシステムイメージ図（上図）、今回開発し高速並列光スイッチシステムイメージ図（下図）

図1 これまでのNICTの光スイッチシステムのイメージ図（上図）、
今回開発した高速並列光スイッチシステムのイメージ図（下図）
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図1上は、従来のNICTの光スイッチシステムのイメージ図である。シングルコアファイバで伝送された光パケット信号の宛先をスイッチコントローラが順番に判断し、光スイッチに電気制御信号を送る。光スイッチは、電気制御信号により、光パケット信号の経路を切り替える。

図1下は、今回開発した高速並列スイッチシステムのイメージ図である。マルチコア光ファイバで伝送されたコア多重光パケット信号の宛先をスイッチコントローラが順番に判断し、新型並列光スイッチへ電気制御信号を送る。電気制御信号を受けた光スイッチが同時に動作し、コア多重光パケット信号の経路を切り替える。

2.　実験ネットワーク構成とその結果

図2　毎秒53.3テラビット光信号の高速スイッチング実験の構成
［画像クリックで拡大表示］

図2は、今回の高速スイッチング実験の構成図である。

① 経路1（19コアファイバ）と経路2（7コアファイバ）に、それぞれ毎秒53.3テラビット7コア多重光パケット信号を送信する。（19コアファイバは7コアのみ使用）
7コア多重光パケット信号の宛先は、経路Aと経路Bを繰り返す。

② 高速並列光スイッチシステムでは、スイッチコントローラが7コア多重光パケット信号の宛先を判断し、新型並列光スイッチの制御信号を送り、経路を切り替える。

③ 経路A（19コアファイバ）で、7コア多重光パケット信号を伝送する。
なお、経路Bは、マルチコア光コアファイバは接続せず、結合器までの実験である。

図3は、経路Aに送信された7コア多重光パケット信号の波形である。各コアの信号波がすべて同じタイミングでスイッチされており、パケットロスのないコア多重信号のスイッチングが実現できたことが分かる。

図3　実験結果
経路Aの7コア多重光パケット信号の波形

用語解説

パケット信号の経路を切り替える光交換技術

情報を小さい単位（パケット）に分割して伝送すると、多くの利用者が同じ通信路を共用でき、高速かつ経済的に通信できる。しかし、ネットワーク接続点（ノード）においてパケットの経路を切り替えるパケット交換技術において、従来技術では、光ファイバ内は光信号で伝送し、ノード内で電気に変換した後に電気交換処理を行い、再度光信号に変換して光ファイバに送信される。そのため、電気処理がボトルネックになり通信速度が制限される。

NICTの光パケット交換技術は、ノード内で電気に変換せず極めて高度な光信号処理で高速切替えを実現する。光電気変換処理が不要になるため、消費電力が低減される。

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