2025年3月28日
空间交叉连接装置和多芯光纤放大器组成的大规模空间多路光网络验证实验首次获得成功
国立大学法人香川大学
株式会社KDDI综合研究所
日本电气株式会社
santec AOC株式会社
古河电气工业株式会社
新闻稿摘要
国立大学法人香川大学(本部：香川县高松市、校长：上田夏生，以下简称香川大学)、株式会社KDDI综合研究所(总部：埼玉县富士见野市、代表董事兼所长：中村元，以下简称KDDI综合研究所)、日本电气株式会社(总部：东京都港区、董事长、执行董事长兼社长兼CEO：森田隆之，以下简称 NEC)、santec AOC株式会社(总公司：爱知县小牧市、代表董事长兼社长：上原升，以下简称santec)、古河电气工业株式会社(总公司：东京都千代田区、代表董事长兼社长：森平英也，以下简称古河电工)确立了实现大规模空间多重光网络 [1] 的基本技术，作为成果的一部分，成功地在全球首次进行了由空间多路连接 [2] 装置和多芯光纤 [3] 光放大器 [4] 组成的1,000 km级大规模空间多重光网络的实证实验。这有望为实现经济实惠的超大容量光网络打开大门，这对于提供新一代 (Beyond 5G (6G)) 无线通信服务 [5] 至关重要。部分结果将作为2025年3月30日至4月3日在美国旧金山举行的国际光纤通信大会(Optical Fiber Communication Conference 2025)上获得最高分的论文 (Top Scored) 之一公布。
该研发基于国立研究开发法人情报通信研究机构 (总部：东京都小金井市、理事长：德田英幸，以下简称为NICT)的“Byond 5G研发促进项目”和“革新信息通信技术（Byond 5G (6G)）基金项目 [6] ”委托研究“支持Beyond 5G超大容量无线通信的空间复用光网络节点技术的研究开发(JPJ012368C00201、JPJ012368C07801)” (代表研究员：香川大学)实施。
1.新闻发布详细信息
(1) 研发背景
目前，第五代 (5G) 无线通信服务的引入正在进行中，但新一代 (Beyond 5G或6G) 无线通信服务的研究和开发已经在日本和海外得到推广。未来的Beyond 5G (6G) 无线通信服务的目标是进一步提高5G的“高速/大容量”、“低延迟”和“与多个终端的连接”的特征。为了实现这一点，必须经济地构建能够处理每秒PB比特 [7] (Pb/s) 流量的超大容量光网络。此外，作为未来人工智能社会的基础，信息通信网络需要在连接地理上分散的数据中心和无线基站方面发挥重要作用。实现这一目标的新兴技术是由非耦合多芯光纤 [8] (MCF)、MCF光放大器和MCF光交换机组成的空间复用光网络。到目前为止，已经推广了使用4芯光纤 (4-CF)、19芯光纤 (19-CF) 等的2个点之间的长距离空间复用传输的研究和开发，但是关于使用MCF的空间复用光网络的报告仅限于光开关和小规模网络实验。
(2) 研发成果的内容
此次，由香川大学、KDDI综合研究所、NEC、santec、古河电工组成的产学合作研究小组 (PHUJIN项目 [9] ) 成功确立了实现大规模空间多重光网络所需的基础技术(光交换技术、光布线技术、光放大技术、光节点技术、光网络设计与管理技术)，并利用这些技术构建了新一代光节点装置和空间交叉连接装置。此外，通过整合开发技术，我们在世界上首次成功地进行了1,000公里级大规模空间多路光网络的实证实验。与当前波分复用网络以波长单位的细粒度进行交换不同，空间复用光网络使用低损耗核心选择开关 [10] 在MCF中以核心单位的粗粒度进行交换，期望能够 (1) 降低每1位的传输成本、(2) 延长可传输距离、以及 (3) 减少光节点装置内的光纤布线数量。
实施的空间多路复用光网络的实证实验有如下两种。
长距离空间多路复用光网络测试平台（图1）：
在空间复用光网络中，与传统的单核光放大器和采用FIFO器件的MCF传输系统相比，采用不含FIFO [11] 器件的光放大器的MCF传输系统能够通过减少导致额外损耗的FIFO器件来提高光信号质量。这样可以高效地将更多数据传输到更远的距离。此外，通过引入低损耗空间交叉连接 [2] 设备作为支持MCF的光节点，可以灵活切换路径，从而降低成本并延长传输距离。通过构建由使用核心选择开关 [10]空间交叉连接设备与无FIFO 4核光纤放大器 [12]、4核光纤传输路径组成的环形长距离光网络实证实验系统，我们首次证明了可以实现长达1,600公里的大规模空间多路复用光网络。
图1 长距离空间多路复用光网络测试平台
多域空间多路复用光网络测试平台（图2）：
随着MCF设计和制造技术的进步，预计未来将存在具有不同内核数量的MCF构建的多个空间多路光网络域 (区域)。4核和16核光纤网络通过由核心选择交换机 [10] 组成的空间网关设备互连，首次证明了即使在大型多域空间多路复用光纤网络中也可以高质量地建立和交换空间信道 [13] 。4核光纤网络域包含4核光纤链路和无FIFO 4核光纤放大器 [12]，16核光纤网络域包含19核光纤链路和包层激励 [14] 19核光纤放大器 (仅使用16核) 。
(a) 测试平台网络配置
(b) 测试平台全景
图2 多域空间多路复用光网络测试平台
此外，开发的基础技术的内容如下。
① 光节点·光网络技术（香川大学）：
基于在装置尺寸扩展性和连接自由度方面表现优异的核心选择开关（CSS）的空间交叉连接装置（SXC）构造方法，以及SXC内各类MCF光器件的极性[15]管理方法（图3）
图3 光节点和光网络技术 (香川大学)
② 光放大技术（KDDI综合研究所、NEC、古河电工）：
- 通过将激发光注入掺铒的4芯光纤而无需空间复用/分离器 (扇入扇出：FIFO [11])，实现低噪音光放大的无FIFO 4芯光纤放大器 (KDDI综合研究所) (图4)
- 能够针对每个芯设定放大的光信号的传播方向的全向7芯光纤放大器 (NEC) (图5)
- 可同时激励19芯的包层激励 [15] 19芯光纤放大器 (古河电工) (图6)
图4 光放大技术：无FIFO 4芯光纤放大器 (KDDI综合研究所)
图5 光放大技术：全向7芯光纤放大器 (NEC)
图6 光放大技术：包层激励19芯光纤放大器 (古河电工)
③ 光开关技术（santec）：
19-CF芯选择开关[10]（CCS）和19-CF芯选择器[16]（CS）等MCF光器件（图7）
图7 光纤交换技术（santec）：19 CF芯选择开关和19 CF芯选择器
④ 光布线技术（古河电工）：
MCF光学器件 (图8)，包括高阶模式和芯间串扰、弯曲损耗最小化的19 CF电缆/连接器和19 CF空间复用器 (FIFO)
(3)结果带来的影响
未来的Beyond 5G (6G) 无线通信服务的目标是进一步提高5G“高速/大容量”、“低延迟”、“与许多终端的连接”的特征。为了实现这一点，必须经济地构建能够处理每秒PB比特 [7] (Pb/s) 级流量的超大容量光网络。由该空间交叉连接设备和多芯光纤光放大器组成的大型空间多路光网络的实证实验为实现支持未来Beyond 5G (6G) 无线服务的经济实惠且超大容量光网络打开了大门。
图8 光纤布线技术 (古河电工)：19-CF空间复用器 (FIFO)
2.术语解释
1.空分多光网络：
在当前光网络中，光纤中的波长复用的光信号在光节点中以波长为单位进行路径分配。在空间多路复用光网络中，通过使用多芯光纤的多芯的空间复用传播的光信号在空间交叉连接装置中以芯为单位进行路径分配。空间多路复用光网络有望通过基于核心的路径分配经济地实现超大容量光网络，核心的路径分配粒度大于波长单位。
2.空间交叉连接 (SXC) 设备：
：是在输入/输出端口部署多芯光纤 (MCF) 的光节点类型，通过使用多芯光纤 (术语解释 [2]) 的多芯的空间复用传播的光信号根据目的地以芯为单位进行路径分配。通过使用术语解释 [10] 中所述的核心选择交换机 (CSS) 进行构建，可以实现低损耗、低成本的SXC。
3.多芯光纤 (MCF)：
目前使用的光纤只有一个光通道，称为核心，位于头发一样细的玻璃纤维中。多芯光纤包含在一根光纤中的多个核心，并且预计每个光纤的传输容量将显著增加 (核心数量倍) 。
4.光放大器：
放大通过光传输路径而降低的光信号的功率的装置。本实验中使用的光放大器是掺铒光纤放大器 (EDFA)，通过输入比光信号波长更短的特定波长的激发光以及光信号到添加了铒离子等的光纤内芯来放大光信号。
5.Beyond 5G (6G) 无线通信服务：
第五代无线通信服务 (5G) 的特征(高速、大容量、低延迟、连接多个终端)进一步发展，预计将新增天空、海洋和空间使用范围、超低功耗和超高可靠性等。Beyond 5G无线通信服务也称为第6代 (6G) 无线通信服务。
6.革新信息通信技术 (Beyond 5G (6G) ) 基金事业：
https://b5g-rd.nict.go.jp NICT“创新信息通信技术 (Beyond 5G (6G)) 基金事业主页”
7.千兆比特每秒：
peta (符号P) 是单位前缀，代表10的15次幂。每秒1 PB (Pb/s) 表示每秒发送10的15次方位数字信号。
8.非耦合多芯光纤 (非耦合MCF)：
多芯光纤，在多芯光纤的多个核心之间有非常小的光功率耦合，并且实际上，每个核心能认为一个独立的光传输路径。
9.PHUJIN项目：
https://phujin-project.jp
10.核心选择开关 (CSS)：
1×N光设备，MCF位于输入/输出端口。输入MCF端口中的任何核心都可以输出到任何输出MCF端口中具有相同编号的核心。
11.FIFO (扇入扇出)：
一种光学设备，它在空间上将多芯光纤中的每个核心复用并隔离为与核心数量相等的单模光纤。
12.无FIFO四核光纤放大器：
这是通过采用四芯光纤侧面研磨的光耦合器，将泵浦光注入四芯掺铒光纤为特征的四芯光纤放大器。 由于能够避免FIFO（扇入、扇出）（参照术语解说[11]）带来的过度损耗，因此可以实现低噪声的光放大。
13.空间通道：
光信号的物理信道，通过在从发送站到接收站的路径上的每条MCF链路中的核心通过SXC连接而建立。
14.包层激发：
掺铒多芯光纤 (MC-EDF) 采用玻璃包层外侧有聚合物包层和包覆的双层包层结构，将锥形多模光纤缠绕在MC-EDF上，使多模半导体激光器产生的激发光与MC-EDF的各芯相结合的激励方法。
15.多芯光纤 (MCF) 极性:
核心放置在多芯光纤 (MCF) 的每个末端反向。
16.芯选择器 (CS)：
光学设备用输入MCF端口和输出单模光纤 (SMF) 。将输入SMF的核心输出到输出MCF中的任何核心。当与内核选择开关 (CSS) (见词汇表 [10]) 结合使用时，高连接自由度空间交叉连接设备 (见词汇表 [1]) 允许客户光学信号在任何方向上连接到多芯光纤链路上的任何内核。
3.演讲论文
(1)
标题:“Core-levelRouting inLong-haul MCF Transmission System with FIFO-less Multicore EDFA and Spatial Cross-connect” (Top Scored)
作者:1Kosuke Komatsu, 1Shohei Beppu, 1Daiki Soma, 1Yuta Wakayama, 1Noboru Yoshikane, 2Masahiko Jinno, 1Takehiro Tsuritani
所属:1KDDI Research, Inc., 2Kagawa University,演讲编号:M3F.1
演讲日期:Monday, March 31, 2025
国际演讲会议:Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2025
(2)
标题:“Demonstration of 4-Core/16-Core Fiber Heterogeneous Spatial Channel Network Comprising 19-Core Fiber Core SelectiveSwitch-BasedSpatial Gateway, 4-Core EDNAs, and 19-Core EDNAs”
作者:1Takumi Tani, 2 Daiki Soma, 3 Ryohei Otowa, 4Yusuke Matsuno, 1Kyosuke Nakada, 2 Kosuke Komatsu, 3 Yuji Hotta, 4Tsubasa Sasaki, 1Rika Tahara, 2 Shohei Beppu, 4Koichi Maeda, 1Takuma Izumi, 2 Yuta Wakayama, 2 Noboru Yoshikane, 2 Takehiro Tsuritani, 3 Yasuki Sakurai, 4Ryuichi Sugizaki, and 1Masahiko Jinno
所属：1 Kagawa University, 2 KDDI Research, Inc.,3 santec AOC corporation, 4Furukawa Electric Co., Ltd.
演讲编号：M3F.2
演讲时间：Monday, March 31, 2025
国际演讲会议：Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2025
关于此内容的咨询处
国立大学法人香川大学
创造工学部 电子·信息工学领域 教授 神野正彦
Tel: 087-864-2242
E-mail: jinno.masahiko@kagawa-u.ac.jp
林町地区统合事务中心总务课 藤原恒子
Tel: 087-832-2034
E-mail: fujihara.tsuneko@kagawa-u.ac.jp
株式会社KDDI综合研究所
企业推进部
URL: https://www.kddi-research.jp/inquiry.html
日本电气株式会社
全球创新战略统括部
URL: https://jpn.nec.com/cgi-bin/cs/opinion_form4.cgi
santec Holdings株式会社
经营管理本部 经营战略组
URL: https://www.santec.com/jp/inquiry/inquiry_ir/
古河电气工业株式会社
宣传部 村越
E-mail: fec.pub@furukawaelectric.com
