光周波数コムと光伝送?

ご存知の通り、1990年代以降、WDM（波長多重）技術は数百キロメートル、時には数千キロメートルに及ぶ長距離光ファイバーリンクに利用されてきました。国内のほとんどの地域にとって、光ファイバーインフラは最も高価な資産であり、トランシーバー部品のコストは比較的低く抑えられています。
しかし、5Gなどのネットワークにおけるデータレートの爆発的な増加に伴い、WDMテクノロジーは、より大量に導入される短距離リンクでもますます重要になり、そのためトランシーバーアセンブリのコストとサイズに対する感度が高まっています。

現在、これらのネットワークは、依然として空間分割多重化チャネルを通じて並列に伝送される数千本のシングルモード光ファイバーに依存しており、チャネルあたり数百 Gbit/s (800G) 程度と比較的低いデータ レートで、T クラスのアプリケーションも少数存在します。

しかし、近い将来、共通空間並列化の概念はスケーラビリティの限界に達し、データレートのさらなる向上に対応するためには、各ファイバーにおけるデータストリームのスペクトル並列化を補完する必要があるでしょう。これは、チャネル数とデータレートの点で最大限のスケーラビリティが不可欠となる、WDM技術の全く新しい応用分野を切り開く可能性があります。

この文脈では、光周波数コム発生器（FCG）光周波数コムは、多数の明確に定義された光キャリアを供給できる、小型で固定された多波長光源として重要な役割を果たします。さらに、光周波数コムの特に重要な利点は、コムラ​​インの周波数が本質的に等間隔であるため、チャネル間ガードバンドの必要性が緩和され、DFBレーザーアレイを用いた従来の方式で単一ラインに必要となる周波数制御を回避できることです。

これらの利点はWDM送信機だけでなく受信機にも適用され、個別の局部発振器（LO）アレイを単一のコムジェネレータに置き換えることができる点に注目すべきです。LOコムジェネレータの使用により、WDMチャネルのデジタル信号処理がさらに容易になり、受信機の複雑さが軽減され、位相ノイズ耐性が向上します。

さらに、位相同期を用いたLOコム信号を用いた並列コヒーレント受信により、WDM信号全体の時間領域波形を再構成することが可能となり、伝送ファイバーにおける光非線形性による劣化を補償することが可能になります。コムベースの信号伝送におけるこれらの概念的な利点に加え、小型化とコスト効率の高い大量生産も、将来のWDMトランシーバーの鍵となります。
したがって、様々なコム信号発生器のコンセプトの中でも、チップスケールデバイスは特に興味深いものです。データ信号の変調、多重化、ルーティング、受信のための高度にスケーラブルな光集積回路と組み合わせることで、このようなデバイスは、光ファイバー1本あたり最大数十Tbit/sの伝送容量を備え、低コストで大量生産可能なコンパクトで高効率なWDMトランシーバーの鍵となる可能性があります。

次の図は、光周波数コムFCGを多波長光源として使用するWDMトランスミッタの概略図を示しています。FCGコム信号は、まずデマルチプレクサ（DEMUX）で分離され、次にEOM電気光変調器に入ります。EOM電気光変調器を通して、信号は高度なQAM直交振幅変調（QAM Quadrature Amplitude Modulation）を受け、最適なスペクトル効率（SE）が実現されます。

送信機の出力側では、チャネルはマルチプレクサ（MUX）で再結合され、WDM信号はシングルモードファイバーを介して伝送されます。受信側では、波長分割多重受信機（WDM Rx）が、第2FCGのLO局部発振器を用いて多波長コヒーレント検波を行います。入力WDM信号のチャネルはデマルチプレクサによって分離され、コヒーレント受信機アレイ（Coh. Rx）に送られます。ここで、局部発振器LOのデマルチプレクシング周波数が、各コヒーレント受信機の位相基準として使用されます。このようなWDMリンクの性能は、基盤となるコム信号発生器、特に光線幅とコム線あたりの光パワーに大きく依存することは明らかです。

もちろん、光周波数コム技術はまだ発展段階にあり、その応用シナリオと市場規模は比較的小さい。技術的なボトルネックを克服し、コストを削減し、信頼性を向上させることができれば、光伝送における大規模レベルの応用を実現できるだろう。