中空コア光ファイバーが物理的限界を打ち破り、光通信の新時代を切り開く

中空コア光ファイバーが物理的限界を打ち破り、光通信の新時代を切り開く

空気中を伝わる光は速度が 45% 増加し、損失は 0.091 dB/km に減少します。マイクロソフトが主導する光ファイバー技術革命により、世界のデジタル インフラストラクチャの状況が一変しています。

最近、マイクロソフトが支援する Lumenisity の研究チームが、Nature Photonics 誌に画期的な研究を発表しました。新しい中空コア光ファイバーは、わずか 0.091 dB/km の信号減衰を達成し、従来のシリカベースの光ファイバーの理論上の限界である 0.14 dB/km を破りました。これは《減衰が 1 キロメートルあたり 0.1 デシベル未満の広帯域光ファイバー》

「過去40年間の導波路技術における最も注目すべき進歩」と称されるこの技術は、光通信における画期的な進歩です。中空コア光ファイバーは伝送速度を45%向上させるだけでなく、帯域幅を犠牲にすることなく長距離データ伝送を可能にします。

01 技術の飛躍：ガラスから空気への通信革命

従来の光ファイバーは、高純度のシリカガラスを用いて光信号を伝送しており、光は毎秒約2億メートルの速度で移動します。一方、中空コア光ファイバーは、光が空気中を毎秒3億メートルの速度で移動することを可能にし、ガラス中よりも45%高速です。

中空コアファイバーは、ミクロンレベルの厚さを持つ複数の同心円状のガラス管からなる独自の「二重ネスト型反共鳴ノードレスファイバー（DNANF）」構造を採用しています。これらのガラス管壁は微小な鏡のように機能し、高次モードを抑制しながら光を中央の空気チャネルへ連続的に反射します。

この技術の中核原理は、フォトニックバンドギャップ効果です。精密に設計されたシリカ微細構造リングのアレイが、光を空気コア内に効果的に閉じ込め、光と物質の相互作用を大幅に低減することで、信号減衰を劇的に低減します。

02 パフォーマンスのブレークスルー：40年間の記録を破る主要指標

研究チームは、1550 nmの通信波長で0.091 dB/kmの減衰レベルを達成し、従来のシリカファイバーの理論上の限界を初めて上回りました。

さらに印象的なのは、この中空コア光ファイバーが 66 THz の広いスペクトルにわたって 0.2 dB/km 未満の損失を維持していることです。これは、狭い通信帯域でのみこの性能を達成できる従来のシリカ光ファイバーの性能をはるかに上回っています。

従来の光ファイバーは、約20キロメートルごとに信号強度が約半分に低下するため、中継増幅器が必要になります。中空コア光ファイバーは、この距離を約33キロメートルまで延長し、中継器の必要性を46%削減し、長距離通信におけるエネルギー消費と設備コストを大幅に削減します。

03 マイクロソフトの戦略：ラボからグローバルネットワーク展開へ

マイクロソフトの中空コアファイバー技術への投資は戦略的です。2022年にマイクロソフトは、高度な中空コアファイバー技術を持つLumenisity社を買収し、以来、この技術を研究段階から産業化へと推進してきました。

現在、マイクロソフトは約1,200キロメートルの新しい光ファイバーを実ネットワークで運用しており、実際のトラフィックを伝送しています。Ignite 2024カンファレンスにおいて、マイクロソフトは今後24ヶ月以内にAzureグローバルネットワーク全体に15,000キロメートルの中空コア光ファイバーを展開する計画を発表しました。

この導入は、AI や高性能コンピューティング シナリオの低遅延、高帯域幅の要求を特にサポートするもので、Microsoft が中空コア ファイバー テクノロジの大規模な商用利用に向けて準備を進めていることを示しています。

04 応用の展望：従来の通信を超えた無限の可能性

中空コア光ファイバーの用途は、従来の通信技術をはるかに超えて拡大します。人工知能（AI）分野では、AIツールに不可欠な高速データ転送の需要を満たすでしょう。

量子通信は、もう一つの重要な応用分野です。中空コア光ファイバーは、従来の光ファイバーに比べて1000倍以上の電力を伝送でき、可視光の単一光子パルスを伝送できます。

データセンター内接続、高頻度金融取引、分散型インテリジェントコンピューティングセンターなどの遅延に敏感なシナリオでは、中空コアファイバーの低遅延が重要な役割を果たします。

05 工業化の課題：コストと標準化のハードル

中空コア光ファイバーは有望であるにもかかわらず、大規模な商用導入には依然として課題が残されています。最大の障害は製造コストです。

従来の光ファイバーは固体ガラスを溶かして細い線に伸ばして作られますが、中空コア光ファイバーは、すでに中空のチャネルが組み込まれた幅約 20 cm のガラス プリフォームから始まります。

繊維を直径約100ミクロンまで引き伸ばすと、中空空間の構造を維持するために加圧が必要になります。このプロセスは従来の製造方法よりも複雑で精密です。

グローバル標準化もまた課題です。中空コア光ファイバーと既存ネットワークの互換性を確保するために、業界は新たな標準を策定する必要があります。

さらに、ソリッドコアファイバーは依然として市場の主流であり、実際のアプリケーションで中空コアファイバーをそれに接続することは重要な問題です。

06 国際R&D：グローバル大手企業の開発競争

マイクロソフト以外にも、国際的なテクノロジー大手が中空コア光ファイバー技術の開発に積極的に取り組んでいます。ノキア・ベル研究所は、揚子江光ファイバーケーブル（YOFC）と共同で、長さ20kmの超低損失チューブ型構造を用いて、中空コア光ファイバーにおける微弱な後方散乱という課題に取り組んでいます。

BT（ブリティッシュ・テレコム）は以前、ルメニシティと提携して中空コア光ファイバーの試験運用を行っていました。技術が成熟するにつれて、より多くの通信事業者が試験と導入の取り組みに参加することが期待されます。

学術界も深く関わっています。サウサンプトン大学の研究チームは10年以上にわたりこの技術の改良に取り組み、産業化に向けた確固たる基盤を築いてきました。

マイクロソフトは、AIと高性能コンピューティングの需要をサポートすることに重点を置き、今後2年以内にAzureグローバルネットワーク全体に15,000キロメートルの中空コアファイバーを展開する計画を発表した。

従来の光ファイバーでは約20キロメートルごとに信号中継器が必要でしたが、中空コア光ファイバーではこれを33キロメートルまで延長できます。つまり、大洋横断海底ケーブルでは中継器の数をほぼ半分に抑えることができます。

中空コア光ファイバーは、現在の通信ニーズを満たすだけでなく、将来の量子通信ネットワークの基盤となるインフラです。繊細な量子信号を伝送することができ、量子インターネットの誕生への道を切り開きます。