低遅延・広帯域な光通信

光ファイバーを使った通信で、遅延が短縮され、帯域が拡大し、高速化が進展しています。

遅延短縮遅延

光ファイバー通信の遅延を31%短縮したとの発表がNatureに掲載されています。

帯域向上

実環境で54.2 Tbpsの通信を実現したとNECVerizonが発表しています(NECの発表Verizonの発表)。

2年前とくらべて54倍の帯域が確保できています(2012年は21.7Tbps2011年は1Tbpsでした)。


空気で遅延短縮

遅延短縮は、中空光ファイバーを使ってサウサンプトン大学ORCが実現しています。

光の速度.png

光の速度は、空気中のほうが光ファイバーより30%ほど速いので、中空(コアが空気)の光ファイバーを使うと遅延が30%ほど短縮します

  • 真空中の光速:299,792.458 km/s
  • 空気中の光速:299,702km/s
    空気中の光の速度は、気温、気圧、湿度、二酸化炭素濃度により変化しますが、空気の屈折率はおおよそ1.0003
  • 光ファイバー中の光速:206,753km/sから203,940km/s
    クラッドの屈折率が1.45~1.47程度

今回の実験で使われたのは、コアが空気(中空)のPBGF(Photonic Band Gap Fiber)です。

中空のコアを、多数の細い空孔が規則正しく取り巻いている構造(多数細密充填構造)により生じるバンドギャップにより,光をコアに閉じ込めて、空気コアの中を光が伝搬します。

Photonic_Band_Gap_Fiber.png

従来型の光ファイバーは、屈折率の違うクラッドに反射しながら光が伝搬するので、コアがクラッドよりも高い屈折率を持たなければなりません。

このため、Ge,P, Tiなどを石英に混ぜて屈折率を調整し、コアの屈折率を1.463~1.467、クラッドの屈折率を1.45~1.47程度になるように調整しています。

しかし、屈折率1.0003の空気をコアに使い、屈折率1.45の石英をクラッドに使うと、コアの屈折率がクラッドより低くなるので、反射により光をコアに閉じ込めておくことができません。

PBGF(Photonic Band Gap Fiber)では、このような制約が存在しませんので、屈折率の低い、より高速で光が伝搬する素材、たとえば空気がコアに使えます。

PBGF(Photonic Band Gap Fiber)は、光信号を歪ませる非線形現象が生じない構造でもあります。このため,長距離伝送ファイバとなる可能性があります。


伝送距離はまだ短距離

サウサンプトン大学が使ったPBGF(Photonic Band Gap Fiber)は、3.5dB/kmのロスがあります。

世界記録を先月更新した低損失光ファイバーは0.149dB/kmです(住友電工の発表)
老舗Corning社の光ファイバーSMF-280の損失は1550 nmで、0.17 dB/km から0.18 dB/kmです。

一般的なシングルモード光ファイバーでもロスは0.4dB/Km程度ですので、中空ファイバのロスは10から20倍です。

通信可能距離は、ロスだけでなく分散シフトも大きく影響しますが、ロスだけで考えても、中空ファイバーで通信可能な距離は従来型のファイバーの1/10から1/20になります。

したがって、今のところ中空ファイバーで大陸間伝送は、難しい状況です。



遅延短縮でスループット向上

遅延31%短縮でTCP/IPのスループットがどれだけ向上するか試算してみました。

Throughput-delay.png


このグラフは、MSS=1460Bytes, パケットロス率0.0001%と仮定して(MSS/RTT)*(1 / sqrt(ロス率))を計算した値です。スロースタートの影響などは考慮していません。

東京-大阪間710kmなら2.1msec短縮され90Kbps改善します。
日米間なら14msecで70Kbps、日欧間なら80msecで2.5Kbpsの短縮になります。

ファイバーの距離は、東京大阪間は710km日欧間は、27,000Km, 日米間は9,620kmで計算しました。



光ファイバの大容量化

NECVerizonの実験は、ダラス郊外にあるベライゾンのファイバループを使って、実環境で54.2 Tbpsの通信を実現しました。

Fiber_system_capacity.png

光ファイバーの大容量化の報告をいくつかリストしてみました。

伝送距離100km以下なら数100テラ・ビット毎秒、100㎞から1000kmなら数10テラ・ビット毎秒、1000kmを超えると、数テラ・ビット毎秒の容量が実現されています。

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