世界初、実環境下での結合型マルチコア光ファイバの光スイッチング実験に成功

通信ネットワークやサーバー群などから構成され、実際に運用されているシステムとは独立しながら、実環境に近い状況を再現し、様々なテストができる実証実験用環境のこと。今回は、ラクイラ市内の共同構内に敷設された結合型4コアファイバを用い、ラクイラ大学内の実験室に設置した送受信器及び光スイッチを接続することにより結合型マルチコア光ファイバの光ネットワークを構築し、フィールド試験を行っている。

国際規格で、光ファイバのガラス（クラッド）の外径は0.125±0.0007 mm、被覆層の外径が0.235〜0.265 mmと定められている。現在の光通信で広く使用されている光ファイバは、外径0.125 mmのシングルコア・シングルモード光ファイバで、毎秒250テラビット程度が伝送容量の限界と考えられており、マルチコア光ファイバやマルチモード光ファイバを用いた伝送容量を拡大する研究開発が盛んに行われている。

結合型マルチコア光ファイバは、マルチコア光ファイバの一種である。一般的な非結合型マルチコア光ファイバは、コア間隔を十分に取り（0.04 mm程度）、リング状に屈折率を下げる構造などを用いて、コアからコアへの光信号の漏れによる信号干渉を抑えることにより、各コアを独立した導波路として扱うのに対し、結合型マルチコア光ファイバは、コア間隔を狭め（0.02 mm程度）、複数のコアを結合した一体の導波路として扱う（図4参照）。結合型マルチコア光ファイバ伝送は、コア間の信号干渉を、受信時のMIMOデジタル信号処理により除去する必要があるが、標準外径の大きさのままコア数をより増やすことができ、伝送容量を上げることが可能である。また、マルチモード光ファイバ伝送と比較すると、空間モード分散（各信号の到達時間の差）が小さいことから、MIMO信号処理の負荷を抑えられるメリットもある。

光ファイバネットワークの交差点や分岐点にはスイッチが置かれ、信号の行き先に応じて光信号が通る経路を切り替える光スイッチングが行われる。波長多重信号においては、波長ごとに宛先が決められており、波長選択スイッチを用いることにより、光信号のまま経路を切り替えることができる。空間多重信号（マルチコア光ファイバの各コアの信号）においては、非結合型ではコア単位での光スイッチングが可能であるが、結合型では各コアが結合して信号が伝搬するためこれが不可能である。このため、本実験では、各コアにおける波長多重信号の光スイッチングにより、波長単位での経路切替えを行っている。

現在普及している既存の光ファイバは、1本当たり1つの光の通り道（コア）を持つ構造である。マルチコア光ファイバは、1本当たり複数のコアを持ち、同時並列に通信可能である。マルチモード光ファイバは、異なる伝搬モードを利用し並列通信を行う。これらの光ファイバは、既存の光ファイバを束ねるよりもはるかに小さい断面積で大容量通信を可能とするため、次世代の光ファイバとして期待されている。

光ファイバ通信において、空間的に伝送路を増やし伝送容量の拡大を図る多重化技術である。従来のケーブルに収容する光ファイバの芯線数を増やす方法も本多重化に含まれるが、光ファイバ1本当たりの伝送容量の物理限界から、近年では、光ファイバ中のコア数を増やしたマルチコア光ファイバや複数の伝搬モードを多重化するためのマルチモード光ファイバを用いた空間分割多重技術の研究が進められている。

現在、中・長距離通信用に普及している標準シングルコア・シングルモード光ファイバによる伝送（図5(a)参照）は、毎秒250テラビット程度が容量の限界と考えられている。その問題を解決するために、コア（光の通り道）を増やしたマルチコア光ファイバを用いた伝送（図5(b)参照）や、マルチモード光ファイバを用いた伝送（図5(e)参照）の研究が進められてきた。マルチコア光ファイバでは、コア間が近接していると、一つのコアから漏れた信号が他のコアに侵入し、干渉して伝送品質が劣化する課題がある（図5(c)参照）。コア間の信号干渉を低減するために、コア間を適切に広げコア内に信号を閉じ込めた非結合型マルチコア光ファイバが現在一般的であり、早期実用化を目標として、標準外径の非結合型4コア光ファイバの研究開発が活発に行われている。一方、結合型マルチコア光ファイバ（図5(d)参照）は、コア間隔が狭く、信号干渉が大きくなるが、受信時のMIMOデジタル信号処理により、これを除去可能であり、信号処理の負荷がかかるものの、非結合型マルチコア光ファイバよりも長距離伝送に有利な光伝送媒質として期待されている。

光ファイバのコアの中を光信号が伝搬する際に、光はコアとクラッドの境界で全反射を繰り返しながら、様々な振動状態で進行する（図5(e)参照）。この振動状態の違いが伝搬モードである。マルチモード光ファイバはコア径が大きく、一つのコア内に複数のモードが存在する。マルチモード光ファイバの伝搬中や、入出力、接続時に、モード間での信号干渉が発生するため、受信器でMIMOデジタル信号処理による干渉の除去が必要となる。モードの異なる信号では、受信器に届くまでの時間差が生じるため、ファイバの最適化や負荷の大きいデジタル信号処理が必要である。これまでのマルチモード光ファイバ伝送では、最大で55モードを用いた伝送が実現されている。

複数の波長から成る光信号（波長多重信号）から任意の波長を切り出し、任意の出力ポートから取り出すことができる光スイッチである。各出力ポートから取り出す信号の波長幅（フィルタ帯域幅）を任意に指定可能であり、同時に、信号の強度や位相を調整する機能を有するものもある。本実験では、市販の4入力16出力の波長選択スイッチを再構成し、1入力3出力の波長選択スイッチ4台として使用しており、結合型4コア光ファイバの各コアは各1台に接続され、波長ごとに任意の出力ポート（3方路）へスイッチングされる。

マルチモード光ファイバや結合型マルチコア光ファイバを用いた伝送では、モード分離（モード／コアごとの個別の信号チャネルへの分離）を行う際に、ほぼ必ずMIMO処理が必要となる。MIMOは、無線通信でマルチパス干渉を除去するために用いられる信号処理技術である。光通信においては、同一の光ファイバ内を伝搬する異なる光信号同士の干渉を除去するために使用される。