既存の光ファイバ伝送で、伝送容量と周波数帯域の世界記録を達成

本研究に参加している研究グループは以下のとおりである。

• NICTフォトニックネットワーク研究室: 伝送システムの設計・開発
• アストン大学（Aston University、英国）: ラマン増幅器の開発
• ベル研究所（Nokia Bell Labs、米国）: 光スペクトル整形器の開発
• アモニクス（Amonics、香港）: 光ファイバ増幅器、ラマン増幅器の開発
• パドヴァ大学（University of Padova、イタリア）: 伝送実験に研修生が参加
• シュトゥットガルト大学（University of Stuttgart、ドイツ）: 伝送実験に参加

1テラビットは1兆ビット、1ギガビットは10億ビット。
毎秒378.9テラビットは、2023年11月時点の国内ブロードバンドトラヒックの約11倍のデータをファイバ1本で伝達できる容量である。

波長多重技術は、異なる波長の光信号を1本の光ファイバで伝送する技術である。現在の長距離向けの光ファイバ伝送システムでは、C帯やL帯の波長多重技術が利用されている。T帯、O帯、E帯、S帯、U帯などの波長帯は商用化が進んでいないが、これらの新しい波長帯を含んだ波長多重技術をマルチバンド波長多重技術とも呼ぶ。

光通信用途で主として用いられている波長帯は、C帯（Conventional band、波長1,530〜1,565 nm）とL帯（Long wavelength band、波長1,565〜1,625 nm）、そのほかにT帯（Thousand band、波長1,000〜1,260 nm）、O帯（Original band、波長1,260〜1,360 nm）、E帯（Extended band、波長1,360〜1,460 nm）、S帯（Short wavelength band、波長1,460〜1,530 nm）、U帯（Ultralong wavelength band、波長1,625〜1,675 nm）がある。
現在の長距離向けの光ファイバ伝送システムでは、主にC帯が利用されていて、波長数は80程度である。また、L帯も一部で商用に利用されている。それに対し、T帯、O帯、E帯、S帯、U帯などは開拓中の新しい波長帯であり、商用化が進んでいない。今回はO帯、E帯、S帯、C帯、L帯、U帯を使用した。

現在、中・長距離光通信用に普及している既存の光ファイバは国際規格で定められたシングルコア・シングルモードファイバである。更なる容量増加を目的として、コア（光の通り道）を増やしたマルチコアファイバや、マルチモード・マルチコアファイバの研究が進められている。

光ファイバは、同軸ケーブルなどと比較して伝送損失が非常に小さいが、数10 kmを超える伝送では光信号が減衰していく。そのため、長距離伝送システムでは、光増幅器を用い伝送損失を補償することで、大幅な長距離化を実現する。光増幅方式は、エルビウム（Er）やツリウム（Tm）、プラセオジム（Pr）などの希土類元素やビスマス（Bi）を添加した光ファイバを使った増幅、ラマン増幅、半導体による増幅がある。
希土類元素やビスマスを添加した光ファイバを使った増幅器は、光ファイバへ大パワーの励起光を照射することによって、励起光より長波長の信号光の増幅現象が生じることを利用した光信号増幅システムである。
ラマン増幅器は、光ファイバの材料であるガラス素材における誘導ラマン散乱を利用した光信号増幅方式である。希土類添加ファイバ光増幅器と同様に、大パワーの励起光の照射によって、励起光より長波長の信号光の増幅現象が生じる。
半導体を使った増幅器は、電流注入により励起させた半導体に信号光を入射すると誘導放出が生じ、信号光を増幅する現象を利用している。

波長の順番に並んだ光の強度分布（＝光スペクトル）に対して、波長ごとに強度を調整して、光の強度分布を整形する機器。光回折格子、空間光変調器などから構成され、多数の異なる波長の光信号強度を一台で調整可能。今回は、O帯、U帯用の光スペクトル整形器を開発した。

QAMとは、光の位相と振幅を併用し複数のビットを表現する方式（多値変調）の一種である。64QAMは1シンボルが取り得る位相空間上の点が64個で、1シンボルで6ビットの情報（2⁶=64通り）が伝送でき、同じ時間でOOK（On-Off Keying）の6倍の情報が伝送できる。同様に、256 QAMは、1シンボルが取り得る位相空間上の点が256個で、1シンボルで8ビットの情報（2⁸=256通り）が伝送でき、同じ時間でOOKの8倍の情報が伝送できる。また、直交する2つの偏光方向を持つ光信号それぞれに対してQAM変調を行うことができ、これによりビット数を2倍にすることを偏波多重と呼ぶ。

Benjamin J. Puttnam, et.al., “301 Tb/s E, S, C+L-Band Transmission over 212 nm bandwidth with E-band Bismuth-Doped Fiber Amplifier and Gain Equalizer”, ECOC European Conference on Optical Communication 2023, Th.C.2.4, Glasgow, Oct. 2023.

Benjamin J. Puttnam, et.al., “S-, C- and L-band transmission over a 157 nm bandwidth using doped fiber and distributed Raman amplification”, Opt. Express, vol. 30, no. 6, p. 10011, Mar. 2022.