NTT、世界初の長距離通信向けプログラマブル光回路を開発　信号処理負荷を低減

NTT株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田明）は、光通信ネットワークの信号を光のまま柔軟に制御できる「プログラマブル光回路」を世界で初めて実現しました。あわせて、光伝送路全体を深層ニューラルネットワーク（DNN）に見立てて光回路のパラメータを最適化し、受信側のデジタル信号処理（DSP）負荷を低減する新しい制御手法を構築しました。本成果は、2026年9月25日に英国科学誌Nature Photonicsに掲載されました。

大容量化に伴う受信側の信号処理負荷の課題

世界のデータ通信量は、高精細動画配信やクラウドサービス、生成AIの普及によって急速に拡大しています。長距離光通信ではコヒーレント光送受信とデジタル信号処理（DSP）を組み合わせて元の信号を復元していますが、大容量化に向けた信号ボーレートの高速化や空間分割多重（SDM）伝送に伴い、DSPの演算負荷が増大することが課題となっていました。

1本の光ファイバ内で複数の空間モードを使うマルチモードファイバ伝送では、モード間の信号の混ざり合いや、伝搬速度の違いによる遅延差（モード分散）が生じます。これらを補償するMIMO-DSPの演算量は、モード数の2乗と補償すべき遅延差の大きさの積に比例します。従来の光伝送路は与えられた特性を受信側で補償する対象として扱われており、伝送途中で信号の歪みを抑える手段は限られていました。

長距離通信に対応する光回路とDNNを活用した最適化

今回NTTは、光の伝搬・干渉現象と深層ニューラルネットワーク（DNN）における重み付き結合との数学的な対応関係に着目しました。石英導波路（PLC）技術を用いて試作したプログラマブル光回路は、チップサイズが25mm×50mmで、ファイバ間の挿入損失2.1dB、通信C帯全域（帯域40nm）での動作、偏波無依存性、忠実度96％超、入出力ポート数8を同時に達成しています。

さらに、複数の中継地点を経由する長距離光伝送路全体を多層のDNNとして扱い、各中継地点の光回路の位相設定をDNNの重みパラメータに見立てる最適化手法を構築しました。計算機上の伝送路数式モデルを用い、受信時の信号の時間的な広がりが小さくなるよう誤差逆伝搬法によって位相設定を求め、実際の光回路に反映します。

約1300kmの伝送実験で信号の広がりを約60％低減

本手法の有効性を検証するため、3つの空間モードを伝搬する長さ51.2kmの光ファイバを用いた周回伝送試験系により、最大1331.2km（26周）までの長距離伝送実験が実施されました。信号には12GBdの偏波多重QPSK信号が用いられています。

誤差逆伝搬法により求めた設定を実際の光回路に反映したところ、約1300km伝送後の信号の時間的な広がりは、光回路を制御しない場合の約27ナノ秒から約10ナノ秒へと抑制されました。受信側で補償すべき時間範囲を約60％短縮したことになり、信号処理負荷の60％以上の低減に相当する効果が確認されました。また、複数の波長においても同様の低減効果が得られています。

今後の展望と掲載情報

提案された最適化手法と光回路の設計は、より多くのモード数を持つファイバへの適用が可能であることがシミュレーションで確認されています。NTTは今後、データセンター間（DCI）や通信局舎間、大陸横断の海底ケーブルなど幅広い光ネットワークへの適用を視野に研究開発を進め、通信の大容量化と低消費電力化・低遅延化の両立をめざすとしています。

なお、発表された論文および研究助成の概要は以下の通りです。

掲載誌：Nature Photonics
論文タイトル：Programmable Photonic Unitary Processor Enables Parametrized Differentiable Long-Haul Spatial Division Multiplexed Transmission
著者：Mitsumasa Nakajima, Kohki Shibahara, Kohei Ikeda, Akira Kawai, Masaya Notomi, Yutaka Miyamoto, Toshikazu Hashimoto
DOI：https://doi.org/10.1038/s41566-026-01997-x
URL：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01997-x
研究助成：本研究の一部は、JST CREST（JPMJCR24R4）及びNICT委託研究（JP012368C01001）の支援を受けて行われました。

本記事はNTT株式会社の発表をもとに作成されました。

Dellows News編集部

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