電子情報通信学会 光通信インフラの飛躍的な高度化に関する特別研究専門委員会
空間分割多重伝送
中沢正隆（東北大学），鈴木正敏（公立千歳科学技術大学），宮本 裕（NTT），
淡路祥成（NICT），盛岡敏夫（デンマーク工科大学）
nakazawa@riec.tohoku.ac.jp, masuzuki@photon.chitose.ac.jp, yutaka.miyamoto@ntt.com,
yossy@nict.go.jp, tomo@dtu.dk
本会ハンドブック「知識の森」
1．空間分割多重伝送とは
空間分割多重（Space-division multiplexing：SDM）伝送とは，光ファイバ通信において，通信路を空間的に分割し，多重化することで，同時に複数の信号を伝送し，通信容量を飛躍的に拡大する技術である．図1に示すように，一本の光ファイバ内に複数のコアを持つマルチコアファイバ（MCF） (1),(2),(3),(4)や一つのコア内に複数の空間モードを伝搬できる数モードファイバ，マルチモードファイバ（MMF） (5)，それらを組み合わせた光ファイバ (6),(7)を伝送路に用いる．MCFには，コア間隔が十分大きく，一つ一つのコアが，独立の導波路とみなされる非結合（弱結合）MCF (8)と，コア間隔が小さく，コア間でモード結合が起こる結合（強結合）MCF (9)がある．
SDM伝送の考え方は，1970年代より提案されていたが (10),(11)，シングルモードファイバ（SMF）を用いた時分割多重（Time-division multiplexing：TDM）や波長分割多重（Wavelength-division multiplexing：WDM）などの伝送技術の急速な進展により，その後，検討は進んでいなかった．2000年初頭より，SMFの通信容量限界 (12),(13),(14),(15)が提起され，新たな光ファイバ伝送路と多重伝送技術の研究開発が急務となった．日本においては，2008年にEXAT研究会が発足し，新たな光伝送路を含めたSDM伝送技術の研究開発が世界に先駆けて，開始され (16),(17),(18),(19),(20),(21),(22),(23),(24)，以後，日本が，本分野の研究開発を先導している (25),(26),(27),(28),(29)．
空間分割多重伝送に必要な構成技術としては，前述したSDM光ファイバに加え，SDM信号を一括増幅するSDM光増幅器，SDM信号を多重分離するSDM多重分離回路（MUX/DEMUX），SDM光ファイバ用の光コネクタ・融着接続技術ならびに，光ファイバ伝搬中に，相互に結合した空間モードを，ディジタル信号処理により元の信号に復元するMIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術がある．
2．陸上伝送系への適用
我が国の陸上光通信システムは，図2に示すように，1981年にMMFによる32 Mbit/s再生中継システムとして開始され，SMFシステム技術が1985年に日本縦貫ルートで実用化されて以降，40年間で約6桁の大容量化が達成されてきた (30)．1990年代半ばまではTDMによる単一波長高速化により，F‑1.6G方式（1987年）やエルビウム添加光ファイバ増幅器（Erbium-doped fiber amplifier：EDFA）を用いたFA‑10G方式（1996年）が実用化され，その後2000年代にはWDMと広帯域光増幅技術により1 Tbit/s級伝送が実用化された．2010年代には多値直交位相振幅変調とディジタルコヒーレント検波技術により1波長100─400 Gbit/sチャネル容量の8─20 Tbit/s級システムが実用化されている．周波数利用効率向上が飽和しつつある中，非線形光学効果や許容入力パワ制約によるSMF長距離伝送の物理限界（約100 Tbit/s）が明らかとなり，C＋L帯（約9 THz）や3バンド以上を用いるマルチバンドWDM技術が検討され，3バンド超WDM構成による100 Tbit/s超級長距離伝送実験が報告されている (31),(32)．
SMF容量限界を抜本的に超える技術として，2008年にEXAT研究会が提唱したSDMが重要視されている (17)．特に機械的信頼性が確保可能なクラッド外径250 µmのMCF伝送では，2012年に，弱結合ホモジニアス構造12コアMCFとC＋拡張L帯11 THzのマルチバンドWDMとの組合せによる世界初の1 Pbit/s無中継伝送が実証された (26)．さらに，ヘテロジニアス構造32コアMCFを用いて1 Pbit/s光増幅中継（200 km）や0.75 Pbit/s長距離中継（1200 km）が報告されている (33)．クラッド外径制約を外し，モード多重を併用したMCF技術の極限追及により2017年の10 Pbit/s超級伝送 (27)，2023年の22.9 Pbit/s世界最大容量伝送実験が実証されている (28)．
実用化に向けては，量産化に適した標準クラッド外径125 µmでコア間クロストークを抑えた4コアMCFの研究が進み，2017年には複数ベンダによる4コアファイバ・MC（マルチコア）-EDFA・MCコネクタを用いた118 Tbit/s中継実験が実証された (34)．その後，標準クラッド外径4コアMCFケーブルの設計・量産化技術が検討され (35)，ITU‑TやIECで標準化が活発化している．さらに最近では標準クラッド外径を有する強結合MCFケーブルとMIMO信号処理を用いたモード多重システム技術が進展し，12モード多重サブペタビット級の長距離フィールド実験が報告された (36)．将来のPbit/s級光ネットワークでは，ファイバ技術だけでなく，光送受信機，光増幅中継器，ROADM等ノード装置の小型化・低消費電力化が必須である．多重中継ノードの集積化実現にむけ，4コアMCFと集積型波長選択スイッチを組み合わせた3ノード構成のPbit/s超級ノードスループット等も実証され (37)，SDM技術を適用した光ネットワーク技術の今後の進展が期待される．
3．海底伝送系への適用
国際通信の99%以上を収容する光海底ケーブルシステムは，経済安全保障の観点から国際通信の最重要インフラとして進展し，1ファイバの伝送容量は1989年に開通した初めての太平洋横断光海底ケーブルから2025年に運用開始したJUNOケーブルの17.5 Tbit/sに至る36年間で6250倍に拡大された．2010年以降は，光ファイバの非線形光学効果によりファイバの最大伝送容量が理論限界に近づいたため，研究開発は，従来のファイバ容量最大化技術から多心化によるケーブル容量拡大技術へ変遷した．一方，海底ケーブルシステムでは，敷設船のケーブルタンクの制限によりケーブルと中継器は大きさと重量が制限される．そのため，現在の外形2 cm程度の海底ケーブルで収容可能な心線数は最大48心程度に制限されており，更なる容量拡大に向けて，空間利用効率の高いSDM技術が期待されている．SDMによる大洋横断伝送は，2012年に初めて7コアMCFを用いて可能性が示され，ファイバ容量140 Tbit/sで容量・距離積1エクサbit/s・kmが実証された (38)．近年は実用化を目指した標準クラッド外径の4コアMCFケーブルの試作や太平洋横断伝送などの研究開発 (39)及び国際標準化が精力的に進められ，2026年には最初のMCF商用システムである太平洋横断海底ケーブルTPU (40)の一部区間に2コアMCFが導入される予定である．
光海底ケーブルのもう一方の制約条件は電力制限である．海底ケーブルシステムでは，陸側の15,000 V以上の給電装置から定電流を流し海底ケーブルの導体を通して海底中継器に電力供給を行う必要があるが，海底ケーブルの電気抵抗率は約0.7~1 Ω/kmであるため，1万km級の長距離システムではケーブルの電圧降下により供給電力の約1/2以上が熱として失われる．現在，中継器電力の効率的利用のため，1台の励起光源で2台のEDFAを励起する共通ポンプ技術が導入されており，より効率的な共通ポンプ技術による低消費電力化により，4コアMCFによるPbit/s級の光海底ケーブルシステムの実現が期待される．非結合MCF等によりコア数を拡大し更に大容量化するには，電力制限の緩和が必須であり，給電能力の拡大，ケーブル抵抗の削減，中継器の高耐圧化などの抜本的な構造変更が必要となり，経済性と大容量性の両立が課題である．図3にSDM光海底ケーブルの動向を示す．
4．実用化に向けた取組み（産学官連携，国際標準化等）
2008年1月にNICT（情報通信研究機構）主導により発足したEXAT研究会 (16),(17)は，2010年4月からは，電子情報通信学会通信ソサイエティの研究会に活動の場を移し，現在，世界の最先端SDM伝送技術を牽引している．この間，本研究会が提唱する3M空間多重光伝送技術（マルチコアファイバ，マルチモード制御，マルチレベル変調）によって，光ファイバ1本当たりの実験伝送容量は，32 Tbit/sから約23 Pbit/sと約3桁近く拡大した．国内の研究連携については，情報通信研究機構の主導のもと，複数の通信キャリアならびにファイバメーカー，ベンダがそれぞれの業態に則した形で参画している．また，ファイバ設計や理論では大学等が中核となることにより全体として産学官のバランスのとれたオールジャパン研究開発体制をとっている．この連携を2008年から世界に先駆けて実施し，前述の数々の研究成果を創出してきた．
また，商用化の鍵となる国際標準化については，標準クラッド外径MCF技術 (41)が，SDM伝送の実用展開に向けた最初のマイルストーンとして国際的に注目を集めている．ITU-T SG15では，2022年および2025年に，それぞれSDM光ファイバケーブルに関する技術レポート (42)およびSDM光ファイバケーブル標準化のフレームワークに関する補足文書 (43)を発行し，2コアおよび4コアの標準クラッド外径MCFの勧告化を目指すことが合意されている．さらに，SDM光コネクタ (44),(45)，光増幅器 (46),(47),(48)の国際標準化も着々と進められており，今後，SDM伝送技術の海底系・データセンタ・陸上系への導入，普及が期待される．
文 献
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（32）T. Kobayashi, S. Shimizu, Y. Miyamoto, “C＋L＋U-Band 14.85-THz WDM Transmission Over 80-km-Span G.654.E Fiber with Hybrid PPLN-OPA/EDFA U-Band Lumped Repeater Using 144-Gbaud PCS-QAM Signals,” OFC 2024, Th4A.1, 2024.
（33）T. Kobayashi, M. Nakamura, T. Morioka, “1-Pb/s（32 SDM/46 WDM/768 Gb/s）C-band Dense SDM Transmission over 205.6-km of Single-mode Heterogeneous Multi-core Fiber using 96-Gbaud PDM-16QAM Channels,” OFC 2017, Th5B-1, 2017.
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（35）T. Mori, Y. Yamada, K. Nakajima, “Applicability of Standard Cladding Diameter Multi-Core Fiber Cables for Terrestrial Field,” J. Lightwave Technol., vol. 42, no. 3, pp. 1044-1055, 2024.
（36）A. Kawai, K. Shibahara, Y. Miyamoto, “Toward Petabit Per Second in Field : Ultrahigh-Capacity Terrestrial Transmission System With Coupled-Core Multi-Core Fibers,” J. Lightwave Technol., vol. 43, no. 13, pp. 6058-6070, 1 July1, 2025.
（37）F. Inuzuka, H. Hasegawa, Y. Miyamoto, “Power-saving Aware SDM Photonic Node with the Throughput Scalable to over Peta bit per second,” OECC/PSC 2022, Invited paper TuF4-1, 2022.
（38）K. Igarashi, T. Tsuritani, M. Suzuki, “1.03-Exabit/s×km super-Nyquist-WDM transmission over 7, 326-km seven core fiber,” ECOC 2013, PD3.E.3, 2013.
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（40）https://www.submarinenetworks.com/en/systems/trans-pacific/tpu
（41）中島和秀，松井 隆「マルチコア光ファイバの標準化展望」レーザー研究 2024年9月 p. 466-470, 2024.
（42）ITU-T Technical Report GSTR-SDM “Optical fibre, cable, and components for space division multiplexing transmission”（09/2022）.
（43）ITU-T G Suppl. 87（03/2025） : Standardization framework for optical fibres for space division multiplexing, 2025.
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（45）IEC PAS 63503-3-30 : 2023, Fibre optic interconnecting devices and passive components-Connector optical interfaces for multi-core fibre-Part 3-30 : Connector parameters of standard outer diameter 4-core physically contacting fibres-non-angled 2.5 mm and 1.25 mm diameter cylindrical full zirconia ferrules, 2023.
（46）空間分割多重伝送用光ファイバ増幅器（Optical fibre amplifier for space division multiplex transmission）OITDA/TP 33/AM（2022 Ed.2）
（47）IEC TR 61292-3 Ed.2 2020 : Classification, characteristics, and applications of optical amplifiers, 2020.
（48）IEC TR 61292-12 Ed. 1.0 : 2022 Optical amplifiers-Part 12 : Optical fibre amplifiers for space division multiplexing transmission, 2022.
（2026年3月23日受付 2026年5月8日最終受付）
