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電気技術者たちは、光ファイバーケーブルで伝送される情報の距離制限を克服し、受信機で正確に解読できるという重要な障壁を打ち破りました。カリフォルニア大学サンディエゴ校ウェブサイトより。
カリフォルニア大学サンディエゴ校のフォトニクス研究者らは、光ファイバーを介した光信号の最大伝送出力、ひいては伝送距離の延長に成功した。この進歩は、インターネット、ケーブルテレビ、無線、固定電話網のバックボーンとして機能する光ファイバーケーブルのデータ伝送速度を向上させる可能性を秘めている。この研究は、6月26日発行のサイエンス誌に掲載されている。
新しい研究は、光ファイバーでのデータ伝送速度の向上に対する長年の障害に対する解決策を提示しています。閾値電力レベルを超えると、さらなる電力増加により光ファイバーケーブル内を伝送される情報が修復不可能なほど歪んでしまいます。
「今日の光ファイバーシステムは、流砂に少し似ています。流砂では、もがけばもがくほど、どんどん沈んでいきます。光ファイバーでは、ある一定のレベルを超えると、信号に与えるパワーを増やすほど歪みが大きくなり、実質的に伝送距離の延長が妨げられます。私たちのアプローチは、このパワー制限を取り除き、中継器を必要とせずに光ファイバーで信号を伝送できる距離を延長します」と、クアルコム研究所の研究科学者で、Science誌掲載論文の責任著者であり、今回の実験の責任者であるニコラ・アリク氏は述べています。
カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者らは、実験室での実験で、電子再生装置である中継器を使わず、標準的な増幅器だけを使った光ファイバーケーブルで 12,000 キロメートルもの距離を伝送された情報を解読することに成功した。
新たな発見により、光ファイバーリンクに周期的に設置される電子再生器の必要性が実質的に排除されます。これらの再生器は実質的にスーパーコンピュータであり、伝送路の各チャネルに適用する必要があります。80～200チャネルを伝送する現代の光波伝送における電子再生は、コストを左右するだけでなく、より重要な点として、透過的な光ネットワークの構築を妨げています。結果として、周期的な電子再生を排除することで、ネットワークインフラの経済性が劇的に変化し、最終的にはより安価で効率的な情報伝送が可能になります。
この研究における画期的な成果は、研究者らが開発した広帯域「周波数コム」に基づいています。本論文で説明されている周波数コムは、光ファイバーを長距離伝送する束ねられた情報ストリーム間で発生する「クロストーク」と呼ばれる信号歪みを予測可能にし、光ファイバーの受信端で復元できるようにします。
「光ファイバーケーブル内の通信チャネル間のクロストークは、一定の物理法則に従います。ランダムではありません。クロストークの物理的性質について、私たちはより深く理解することができました。本研究では、クロストークを活用して光ファイバーの電力障壁を取り除く手法を提示します」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校電気・コンピュータ工学部の教授であり、Science誌掲載論文の筆頭著者であるストジャン・ラディック氏は説明する。「私たちのアプローチでは、情報が送信される前に調整を行うため、受信側はカー効果によるクロストークの影響を受けません。」
フォトニクス実験は、ラディック氏が率いるフォトニクスシステムグループの研究者によって、カリフォルニア大学サンディエゴ校のクアルコム研究所で実施された。
完璧なデータ伝送
カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者たちのアプローチは、コンサートの冒頭でオーケストラの複数の楽器を同じ音程に調律するコンサートマスターに似ています。光ファイバーでは、異なる周波数で動作する複数の通信チャネルを介して情報が伝送されます。電気技術者たちは、周波数コムを用いて、光ファイバーを伝播する「光キャリア」と呼ばれる異なる光情報ストリームの周波数変動を同期させました。このアプローチは、同一の光ファイバー内の複数の通信チャネル間で発生するクロストークを事前に補正します。また、周波数コムは通信チャネル間のクロストークが可逆であることを保証します。
「送信する光信号のパワーを20倍に増強した後でも、最初に周波数コムを用いたことで元の情報を復元することができました」と、論文の筆頭著者であるカリフォルニア大学サンディエゴ校電気工学博士課程の学生、エドゥアルド・テンプラナ氏は述べています。周波数コムを用いることで、受信機で元の情報を復元することを不可能にするランダムな歪みがシステムに蓄積されることがなくなりました。
実験室実験では、シリカ光ファイバーケーブル内で相互に作用する3つと5つの光チャネルを備えたシステムを用いて実験が行われた。研究者らは、このアプローチははるかに多くの通信チャネルを持つシステムにも適用できると指摘している。今日の光ファイバーケーブルのほとんどには、32以上の光チャネルが含まれており、それらはすべて相互に作用している。
Science誌に掲載された論文で、研究者らは光ファイバーケーブル内の通信チャネル間で発生する非線形効果を事前に補償するための周波数参照アプローチについて説明しています。情報は光ファイバーを介して送信される際に、予測可能かつ可逆的な方法で事前に歪められます。周波数コムを用いることで、光ファイバーの受信端で情報を復元し、完全に復元することができます。
「我々は光ファイバーで起こる歪み効果を事前に防いでいる」と、同グループでコム開発の責任者を務めたクアルコム研究所の研究科学者ビル・クオ氏は語った。
同研究グループは昨年、今回発表した実験結果が理論的には可能であるという事実を概説した理論論文を発表している。
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