NTT持株会社ニュースリリース

1．研究の背景

　現在の光ファイバ伝送システムでは、光増幅器EDFAが増幅可能な約4THzの光帯域に、光信号を波長多重し、光信号1波長あたりの伝送容量をデジタルコヒーレント技術（※3）により拡大することで、伝送システムの大容量化を行ってきました。NTTが提唱するIOWN構想を構成するオールフォトニクスネットワークにおいては、豊富な波長資源を活用したフレキシブルな光ネットワークの実現をめざしており、従来の1波長あたりの大容量化とともに、利用可能な波長資源（光帯域）の拡大が求められています。NTTでは、広帯域かつ低歪みな光増幅技術として、PPLN導波路［2］を用いた光パラメトリック増幅に着目し、研究開発を進めてまいりました。PPLN導波路による光パラメトリック増幅では、単一偏波の信号のみが増幅可能であり、単純な光増幅にとっては不要な位相共役光が発生するため、現在デジタルコヒーレント方式で用いられている偏波多重光信号の光増幅中継器として、更なる広帯域化やトラヒックに応じた安定な光信号の挿入抜去を行う際の課題となっていました。

2．研究の成果

　今回、モジュール化したPPLN導波路（PPLNモジュール）を8個用いて、新たな増幅器構成を提案し（図1）、偏波多重光信号の増幅および、利得15dB以上で10.25THzの増幅帯域を実現しました（図2）。本成果では、NTTの超高速信号生成技術［3］を用いた1波長あたり毎秒800ギガビットの偏波多重PS36QAM信号（※4）を検証信号として、利得飽和領域において、単一波長、波長多重信号入力ともに低歪な信号増幅を確認しています（図3①）。また、オールフォトニクスネットワークにおける波長資源の活用で想定される波長数の高頻度な変動を模擬し、1波長と41波長の入力信号切り替えに対する高速応答性も確認しました（図3②）。さらに、開発した光パラメトリック増幅器を、1波長あたり毎秒800ギガビットの波長多重信号伝送に光増幅中継器として適用し、光帯域が10.25THzまで拡張可能なことを実証しました（図4）。

3．今後の展開

　本成果で示した光パラメトリック増幅の10THzを超える広帯域性と増幅性能は、光ファイバが最も低損失となる波長領域（S,C,L帯）をカバーし、従来増幅器（EDFA）の2倍以上の広帯域化が期待できます（図5）。今後は、1波長あたりの大容量化とあわせて、IOWNにおけるオールフォトニクスネットワークの実現に向けた波長資源の拡大技術として検討を推進し、10THzを超える広帯域増幅中継伝送技術の確立をめざしていきます。

参考文献

1. ［1］T. Kobayashi, S. Shimizu, M. Nakamura, T. Umeki, T. Kazama, R. Kasahara, F. Hamaoka, M. Nagatani, H. Yamazaki, H. Nosaka and Y. Miyamoto: “Wide-Band Inline-Amplified WDM Transmission Using PPLN-Based Optical Parametric Amplifier,” IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 39, no. 3, pp. 787-794, 2021.
   https://ieeexplore.ieee.org/document/9264630 
2. ［2］T. Umeki, O. Tadanaga, and M. Asobe: “Highly efficient wavelength converter using direct-bonded PPZnLN ridge waveguide,” IEEE J. Quantum Electron., Vol.46, No.8, pp.1206-1213, 2010.
3. ［3］「1波長あたり毎秒1テラビットを長距離伝送する世界初の波長多重光伝送実験に成功」
   https://www.ntt.co.jp/news2019/1903/190307a.html

用語解説

※1光パラメトリック増幅技術（OPA：Optical Parametric Amplifier）

物質中で生じる非線形光学効果を利用して、異なる波長の光同士を相互作用させることで、特定の波長の光を増幅する技術です。非線形媒質として、高非線形ファイバやニオブ酸リチウムが知られています。

※2周期的分極反転ニオブ酸リチウム（PPLN：Periodically Poled Lithium Niobate）

非線形媒質であるニオブ酸リチウム（LiNbO₃）において、自発分極と呼ばれる結晶内の正負の電荷の向きを一定の周期で強制反転させた人工結晶です。周期的分極反転ニオブ酸リチウムは、元のニオブ酸リチウム結晶よりも圧倒的に高い非線形光学効果を得ることが出来ます。

※3デジタルコヒーレント技術

デジタル信号処理とコヒーレント受信を組み合わせた伝送方式です。コヒーレント受信とは、受信側に配置した光源と、受信した光信号を干渉させることにより、光の振幅と位相を受信することが可能な技術です。偏波多重や振幅・位相を利用した変調方式により周波数利用効率を向上させるとともに、デジタル信号処理を用いた高精度な光信号の歪み補償と、コヒーレント受信により、大幅な受信感度向上を実現します。

※4PS36QAM信号

QAMはQuadrature Amplitude Modulation（直交振幅変調）の略で、2つの直交した（位相関係が90°になっている）信号光の振幅、および、位相の両方に情報を載せる変調方式です。PSはProbabilistic Shaping（確率整形）の略で、通常のQAMでは、信号点が等確率で発生する方式を用いますが、PSQAM信号では、信号点の発生する確率を整形し偏らせることで、送ることのできる情報量（ビット）とエネルギー効率を最適化することが可能です。本成果では、36値の直交振幅変調信号を確率整形して、1波長あたり800ギガビット毎秒の信号を得ています。