超100 Gbaud光伝送を可能とする超高速光フロントエンドデバイス技術
NTT先端集積デバイス研究所
NTT未来ねっと研究所
NTTデバイスイノベーションセンタ

長谷 宗彦(ながたに むねひこ)†1、2/ 脇田　斉(わきた ひとし)/†1 小木曽 義弘(おぎそ よしひろ)/†3 山崎 裕史(やまざき ひろし)/†1、2 井田　実(いだ みのる)/†1 野坂 秀之(のさか ひでゆき)†1、2

NTT先端集積デバイス研究所†1/ NTT未来ねっと研究所†2/ NTTデバイスイノベーションセンタ†3

高精細映像配信、クラウドコンピューティングやIoT(Internet of Things)など、新しい情報通信サービスの普及・拡大を背景として、光通信ネットワークを流れるトラフィックは急速な勢いで増え続けています。特に大容量かつ長距離伝送技術が求められる基幹系の光通信ネットワークに目を向けると、通信トラフィックの増大に対応するため、2010年以降デジタルコヒーレント光伝送技術が新たに導入され⁽¹⁾、現在ではチャネル容量400 Gbit/s(1波長当り400 Gbit/s)の光伝送システムの運用が始まろうとしています。通信トラフィックは今後も指数関数的に増え続けることが予測されており、光通信ネットワークのさらなる大容量化を持続的かつ経済的に推進していく必要があります。経済性を担保する観点においては、1対の光送受信器で伝送可能なチャネル容量(1波長当りの伝送容量)を拡大することが不可欠であり、信号の変調多値度を上げるかシンボルレート(変調速度)を高速化するかのどちらかのアプローチ、もしくはその両方のアプローチをとる必要があります。伝送距離の確保に向けては、信号対雑音比が重要なため、変調多値度を抑えながらシンボルレートを高速化するほうが有利であることから、100 Gbaudを超えるような高シンボルレートでの長距離光伝送技術が次世代の基幹系ネットワークシステムに対するソリューションとして非常に注目を集めています。
しかしながら、高シンボルレート光伝送の実現に向けては、光トランシーバ(光送信器および光受信器)における課題も存在します。従来のデジタルコヒーレント光伝送用の光トランシーバの構成図を図1に示します。100 Gbaudを超えるような高シンボルレート伝送に対応しようとすると、光トランシーバを構成する各デバイスには少なくとも50 GHz(シンボルレートのナイキスト周波数)以上のアナログ帯域が求められることになります。特にSi(シリコン) CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)技術で実現されるデジタル・アナログ変換器(DAC)やアナログ・デジタル変換器(ADC)が送受信器における帯域のボトルネックとなっており、最先端CMOSプロセスを用いたとしてもそれらのアナログ帯域は50 GHzには大きく届きません(図2)。今後、さらなるCMOSの微細化が進んだとしても、それらアナログ帯域性能については大幅に改善することは難しいと予測されており、いかにこれらDACやADCのアナログ帯域を拡張するかが高シンボルレート光伝送実現への大きなカギとなります。また、100 Gbaudを超えるような超高速・広帯域電気信号の取扱いは、信号配線の引き回しやそれに伴う高周波での損失増大の点で難しいことから、光フロントエンド部分、具体的には送信側では光変調器ドライバアンプと光変調器、受信側では受光器とトランスインピーダンスアンプを近接配置し1つの一体集積型モジュールとして仕上げることが必然的に求められ、その複雑さなど実装面での難しさも顕在化してきます。

前述のCMOS DACおよびADCのアナログ帯域限界を打ち破るべく、これまでに私たちは帯域ダブラというNTT研究所オリジナルの新しい帯域拡張技術の提案を行ってきました⁽²⁾。…

1. (1)宮本・佐野・吉田・坂野：“超大容量デジタルコヒーレント光伝送技術、”NTT技術ジャーナル、Vol.23, No.3, pp.13-18, 2011。
2. (2)長谷・山崎・濱岡・野坂・宮本：“光送信器の広帯域化に向けた帯域ダブラ技術、”NTT技術ジャーナル、Vol.29, No.3, pp.62-66, 2017。