基調講演 ｢日本における超高速通信の将来について

情報通信研究機構
日本における超高速通信の将来について
- ＮＩＣＴの研究を中心に -
松島 裕一
2009.1.23
独立行政法人 情報通信研究機構
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
1
OUTLINE
１．はじめに
伸び続ける光通信需要と技術課題
２．課題解決に向けてのアプローチ
効率的な光波利用、省電力
３．ＮＩＣＴにおけるチャレンジ
最近の研究成果トピックス
４．まとめ
未来に向けた光技術のロードマップ
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
2
１．はじめに
伸び続ける光通信需要と技術課題
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
3
インターネット普及に伴う情報流通量 （トラフィック） の急増
○ 2008年4月の全国のトラフィック総量は 880ギガビット
（主要なインターネット交換ポイント（IX）の合計から推計）
○1年間に約1.4-1.5倍の伸び（総務省推計より）
○ 2020-30年代にはペタビット（1000テラビット）に達するトラフィック
を収容するための、超高速・大容量・効率的な光ネットワークインフラが
必須。
ロシア・韓国・ヨーロッパへ
情報の単位： ビット（bit/s）
(固定電話：６４ kbit/s）
中国・インドへ
アメリカへ
2009.1.23
日本の基幹光ネットワーク
(イメージ図)
窒化物半導体応用
キロ：kbit/s
メガ：Mbit/s
ギガ：Gbit/s
テラ：Tbit/s
ペタ：Pbit/s
=
=
=
=
=
10*3 bit/s
10*6 bit/s
10*9 bit/s
10*12 bit/s
10*15 bit/s
ICT Value Chain
4
我が国におけるブロードバンドの現状 - トラフック量の推移
高速回線の普及によりインターネットトラフィック量は急激に上昇し、今後も需要の増加
が見込まれる。
我が国のインターネットトラフィックの推移
1000
トラフック量︵ギガビット 秒/︶
879.6
900
812.9
800
700
600
500
数
間
年
400
∼
倍
の
倍
1.4
我が国のブロードバンド
契約者のダウンロード
トラヒック総量
879.6Gbps（推定値）
721.7
び
伸
ブロードバンド契約者の
トラフィック総量（推定値）
636.6
523.6
469.1
424.5
協力ISP6社のブロードバンド
契約者のトラフィッ ク総量
374.7
319.7
298.1
300
303.3
264.2
269.4
226.2
238. 7
194.2
214.9
178.3
133.0
124.9
111.8
101.9
74.4
102.7
75.9
199.4
193.2
207.5
158.7
国内主要IXで交換されるトラ
フィッ ク総量
167. 0
150.1
132.0
107.4
79.3
139.3
116.1
99.1
30.9
31.8 33.0 41.6
0
294.2
306.0
200
100
（参考）国内主要IXで交換さ
れるトラフィッ クピーク値
339.8
48.1
62.3 70.8
60.1
83.4
88.3
協力ISP6社の国内主要IXで
交換されるトラフィッ ク総量
1 35 7 91 13 5 7 9 1 1 3 5 7 9 1 13 57 9 11 3 5 7 9 1 1 3 5 7 9 11 35 7 91 1 3 5 7 9 1 1 3 5 7 91 13 5 7 9 1 1 3 5 7 9 1 1 3 5 79 1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1997年
1998年
1999年
2000年
2001年
2002年
2003年
2004年
2005年
2006年
2007年
2008年
「我が国のインターネットにおけるトラヒッ クの集計・試算 ２００８年５月時点の集計結果の公表」（平成20年8月29日 総務省報道発表）より
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
55
我が国におけるブロードバンドの現状 - 加入者数の推移
光回線（FTTH）の契約数が、平成20年6月末には約1,300万件を突破するなど、ここ数
年超高速ブロードバンドが急速に普及しつつある。
平成18年６月
DSL契約数が
純減
平成17年３月
FTTH純増数と
DSL純増数が逆転
ブロードバンドサービス等の契約数の推移【平成２０年３月現在】
総務省ホームページ「情報通信統計データベース 分野別データ インターネット」より
2009.1.23
窒化物半導体応用
【日本経済新聞
ICT Value Chain
2008年8月24日朝刊1面】
66
インタネットトラヒック牽引状況
モバイルアクセス・次世代携帯
：100ﾒｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒∼最大1ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒
（現行携帯：最大数10ﾒｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒）
伝送
交換（ノード）
ワイヤレスアクセス
・ 135ﾒｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒以上
基幹光ネットワーク
（ペタビット）
アクセス光ネットワーク 100GbE
放送用コンテンツ（非圧縮時）
・デジタルシネマ：7.64 ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒
・スーパハイビジョン：39.8 ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒
(現在 YouTubeなど)
2009.1.23
窒化物半導体応用
光アクセス
・FTTH：10ｷﾞｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒
（現在100ﾒｶﾞﾋﾞｯﾄ/秒）
ICT Value Chain
7
光ネットワークの現状
◇幹線系
波長多重（ＷＤＭ）技術の導入（ファイバあたり最大数64波）
都市間： １波長あたり 2.4∼10ギガビット
大陸間： 2.4∼20ギガビット
◇アクセス系
ブロードバンド化が進展
ADSL（メタルを広帯域化） 1,200万回線
FTTH（光ファイバの普及) 1,300万回線
（＠2008.06）
◇ファイバー内は光信号だが
交換ノードでの処理は
電気信号によっている
（電気＝光変換を多用）
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
8
日本の光伝送技術の優位性
・・
・・
1981年の光ファイバ伝送方式の本格導入以来、日本の光通信技術は常に世界を牽引
1981年の光ファイバ伝送方式の本格導入以来、日本の光通信技術は常に世界を牽引
FTTH
FTTH(Fibet-To-The-Home)加入者数では日本が世界１位を独走
(Fibet-To-The-Home)加入者数では日本が世界１位を独走
[bit/s]
ファイバ１本あたりの伝送容量
40G×27310.9T
NEC/NICT
1.6bit/s/Hz, 6.4T
OCDM/WDM (NICT)
40Gx260,10.4T
(Alcatel)
10T
100G×140
14T (NTT)
20Gx120,2.4T
(Tycom)
1T
100G
海外研究機関
10G
800M
100M
1980
2009.1.23
1985
10G×16 
100GbE
2.5Gx16
1.6G
400M
3.2bit/s/Hz, 12.3T
(NICT/Lucent)
WDM
日本 (共同、委託含む)
1G
3.2bit/s/Hz, 25.6T
(NICT/Lucent))
100G×204
20.4T (NTT)
160G
40G
2.4G
10G
Ethernet
TDM
1990
1995
2000
窒化物半導体応用
80Gx25 2T
Lucent
2005
160Gx81.28T
Field(KDDI/NICT)
160G Field
(NICT)
20１０
ICT Value Chain
[年]
9
でも課題が：例えば通信用電力の問題
• 現状の調査では、通信用の電力
（空調設備も含む）は日本全体
の総発電量の最大で約５％程度
と推定される。
• このまま、年率2倍のデータ通信
量の増加を仮定し、それがその
まま、電力量に比例すると仮定
する。
（この仮定は信じがたいが。。。
あえて悲観論）
2025年以前に、現在の総電力量を越える？？
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
10
光通信・ネットワークの当面の課題
• 将来必要とされる光ＮＷの容量は膨大になる
これを現状の技術で解決しようとすると
① 高額なインフラ整備への再投資の問題
② ファイバ数や波長数の増加で対応は可能だが
スペースや消費電力の問題が深刻になる
③ 波長数の増加など複雑なネットワークは
回線制御・管理、セキュリティが課題
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
11
２．課題解決に向けて
効率的な光波利用、省電力
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
12
問題解決へのアプローチ
•
•
•
•
•
ネットワークインフラの増強・整備
スペース・電力に配慮した、光ノード装置の開発
ネットワークの高効率化・高信頼度化
新しいネットワーク管理技術の創出・普及
これらを導き出す革新的な新技術の開発
「徹底した効率化」技術
時間軸上、周波数軸上、2次元空間上、
光/電気処理から全光処理へ
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
13
徹底した効率化技術とは
• 超高速伝送技術
１６０Gbps/波長以上の伝送速度
• 周波数利用効率の向上
変調方式の飛躍的な向上：
多値変調(DQPSK, QAM)、ＯＣＤＭ、誤り訂正
• ノードスループットの高速化、大容量化
全光処理ノード、光３Ｒ機能、新規制御プロトコル
• 並列光処理による２次元光伝送方式、光処理、ノード技術
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
14
徹底した効率化技術に向けた研究
周波数利用の高効率化
Bit/symbol
１パルスあたりの
伝送可能な情報容量
Bit/Symbol を増大する
高効率変復調技術適用
多値化
OCDMなど
消費電力、低混信性
信号品質などの制限要因
により最適な組み合わせが
決定される。
8
4
2
10
10
10 2
10 3
波長多重化
 number
WDM
40
80
160
320
超高速化
640
Gbit /
OTDM
2009.1.23
従来の容量増大化技術
高ビットレート化(Gbit/s/波長)
ｘ
多波長化（波長数）
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
15
３．ＮＩＣＴにおけるチャレンジ
最近のトピックス、新しい応用分野の開拓
１） 光伝送方式の高速性・大容量性追求
２） 光ネットワークの大容量性・機能性・省電力化追求
３）新しい光通信分野の開拓に向けて
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
16
１）光伝送方式の
高速性・大容量性追求
◇ 高速化 ＝＞時間軸上での多重
（ＯＴＤＭ，ＥＴＤＭ）
◇ 大容量化＝＞波長多重
（WDM)
＝＞多値変調方式
（ＤＱＰＳＫ，ＱＭＡ）
＝＞空間多重方式
（マルチコアファイバ）
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
17
光時分割多重（OTDM）超高速光通信システム
160Gb/s 送信系
160Gb/s 受信系
CH1
DET1
40 Gb/s
1
1
40 Gb/s
CH2
DET2
2
DET3
40 GHz
2
40 Gb/s
CH3
クロック
抽出部
3
3
時分割
分離部
（DEMUX）
160Gb/s 光信号
... 4 1 2 3 4 1 ...
光波形歪み
補償部
40 Gb/s
CH4
2009.1.23
DET4
4
4
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
18
研究開発ネットワークJGN II の構成
●OXC・波長多重ネットワーク による 20G/10Gbit/s バックボーン
●全国 63 アクセスポイント
●海外との接続
●実証研究のため光テストベッド部 2 か所を整備
NW-A : NW運用管理技術の研究開発
金沢
福岡
大手町
札幌
10G (1G× 8)
堂島
GMPLS相互接続技術
産学IT北九州
福岡
金沢
堂島
岡山
NICT鹿島
1G
当 初 10Gベース
つくば
NICTけいはんな
NW-B : テラビットクラス実現のためのテストベッド
NICT北九州ITセンター
10G
10G
(1G×8)
福岡
金沢
NICT神戸
10G
10G
1G
高知
10G
(1G×8)
1G
光
10G
1G
10G
(1G× 8)
10G
NICT小金井
10G×2
名古屋
NICTけいはんなセンター
沖縄
2009.1.23
1G
長野
堂島
岡山
1G
仙台
NICT鹿島
1G
10G
10G
光
NICTつくばRC
堂島
大手町 つくばRC
大手町
NICT
けいはんなセンター
光NW : 物理的な検証も可能な光テストベッド
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
19
ASK-DPSK多値化160Gb/s 光信号の都市間伝送
-3
Q
160Gb/s
ASK-DPSK
抐≰ 孔函
光テストベッド
200km
-4
- log (BER)
I
160Gb/s
ASK-DPSK
♦ ≰ 孔函
従来の160Gb/s光信号 160Gb/s ASK-DPSK多値化
光パルス間隔∼6.25 ps光パルス間隔∼12.5 ps
-5
○● : ASK in APSK
? ■ : DPSK in APSK
△▲ : RZ- ASK
200-km
伝送後
-6
-7
-8
-9 伝送前
-11
-12
-40 -35 -30 -25 -20
受信光パワー [dBm]
フィールド光フイバ伝送
伝送後受信感度劣化(@BER10-7)
ASK-DPSK多値化：４∼５dB
従来方式（RZ‐ASK）：８ｄB
PMDによるパルス歪
深刻な信号品質劣化
2009.1.23
PMD自動補償無しでも
PMD耐力改善
窒化物半導体応用
世界初の多値化160Gb/s信号による
都市間伝送に成功
・OFC 2005,
ICT Value Chain
20
世界最高速度・最高密度光ファイバ通信
超高速位相制御技術で超高密度伝送を実現
差動４値位相変調（ＤＱＰＳＫ）による高速大容量伝送
①世界最高速度光ファイバ通信：25.6Tbps 240km伝送
データ伝送容量の世界最大記録 OFC 2007 PDP19
信号の密度（周波数利用効率）世界最高→さらなる容量拡大が容易
②100GbE対応信号の世界最長伝送: 107Gbps x10 2000km伝送
次世代イーサネット規格100GbEを支える技術 ECOC 2006 PDP-3
差動４値位相変調（ＤＱＰＳＫ）信号
Q（虚部）
Q（虚数）信号
レーザ光
2
1
3
4
I（実部）
Ｉ（実数部）信号
高速多機能LN変調器
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
21
超高速光通信ネットワーク
ー 持続的な社会を支える社会インフラ ー
20年後（∼2025年）：年率1.5倍で、20年で
情報量3000倍→10,000倍（ﾑｰｱの法則）を想定
• Tbpsアプリ（超臨場感、五感、メガデータ
ベース検索）
• マルチサービス（サービススケーラビリティ）
→ファイバ当りペタビット、ネットワークスルー
プットでエクサビットの伝送処理能力
→NICT主催のEXAT研究会における検討
●
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
22
背景（１）：多重化の限界
• これまでの多重化の流れ
– TDM→TDM/WDM→？
– TDM/WDMはそろそろ限界
• TDM：40 Gbpsが実用化→100 Gbps
– 課題・限界：高速変復調、ファイバのPMD（偏波分散）
• WDM：∼100波システムが実用化→200波
– 課題・限界：光増幅器の帯域（40 nm x 3バンド）
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
23
背景（２）：光ファイバ入力パワー限界
• 光ファイバへの入力パワーはそろそろ限界
– ファイバフューズ（コア溶融）閾値∼1.5 W
– 現在の基幹（テラビット）システムの入力パワー
∼数100 mW→２∼３倍しか余裕なし
（ファイバ内光パワー密度∼MW/cm2 ＞加工用レーザ）
• 現在の光ファイバでの伝送容量の限界
– 受信感度の改善、光増幅のNF改善で X 20
→ 数10∼100 Tbps／ファイバ
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
24
ペタビット超ファイバインタフェースに向けて
●
光ファイバの耐入力パワーの向上
– Holey Fiber構造で
X100程度の向上（閾値∼100W)
• 新たな多重方法（例えば）
– SDM（Space-division Multiplexing：空間分割多重）
• コア多重（マルチコアファイバ）
• ファイバ多重
• 光空間通信（マルチビーム）
一括増幅などメリット
– MDM（Mode-division Multiplexing：ﾓｰﾄﾞ分割多重）
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
25
２）光ネットワークの
大容量性・機能性・省電力化追求
◇ パケットスイッチによる
信号粒度を細やかに制御する光ノード
◇ 全光化による省電力ＮＷノード
◇ グリーン光ＮＷの視点が今後重要
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
26
光ネットワークのボトルネックは？
ネットワークボトルネックの主な原因はノードに有る
Link
High-speed
Node
Link
High-speed
Bottleneck
ノードのボトルネック解消は光処理に頼らなくても可能
（電気的パラレル処理の導入）
既存ハイエンドルータや，昨今のマルチシャーシルータのトレンド
超高速光技術の導入によりノードのボトルネック解消
（電気的処理の限界克服）
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
27
光ネットワーク、ノード技術のロードマップ
ネットワークの効率
産業界との連携による研究開発
回線交換型
回線交換型
集中管理
集中管理
IPルータとOXCの個別運用
IPルータとOXCの個別運用
最大データ粒度
最大データ粒度
カットスルー
カットスルー
波長提供サービス網技術
OADM
2001
2
1 3
3
2
波長バースト
交換技術
WD M
ＷＤＭリンク
ＷＤＭリンク
高ビットレート化
高ビットレート化
超多波長／超高密度化
超多波長／超高密度化
トランスペアレンシー拡大
トランスペアレンシー拡大
1
WDM
波長多重（WDM)
リング網技術
波長多重（WDM)伝
送技術
2009.1.23
統計多重
統計多重
帯域予約不要
帯域予約不要
最小データ粒度
最小データ粒度
ストア＆フォワード
ストア＆フォワード
回線交換型
回線交換型
IPルータとOXCの機能統合
IPルータとOXCの機能統合
最大データ粒度
最大データ粒度
カットスルー
カットスルー
光パケット交換
（ＯＰＳ）技術
NICT独自の
研究開発目標
OADM : Ootical Add/Drop Multiplexer
OXC : Optical Cross-connect
2005
窒化物半導体応用
2010∼
ICT Value Chain
28
.
光パケット交換ノードの構成
○光パケット交換ノードは、光ラベル(あて先)を読み取って、光パケットを適切な出力先へ転送する機能を
持つノード
○ペタビット級の高速大容量化のため、パケットの通り道をすべて光回路で構成する必要がある
○光回路化する対象は「光ラベル処理装置」、「光スイッチ」、「光バッファ」の3要素。
光信号
電気処理
ルーティング表
光処理
ノード: 経路制御を行う
光ラベル(あて先)符号と
出力先ポートの対応付け
光ラベル処理装置
光ラベル(あて先)読み取り
出力先ポートを決定
データ
ラベル
光パケット
2009.1.23
光スイッチ
光パケットを適切な出力先
ポートにスイッチ
窒化物半導体応用
スケジューラ
パケット同士が衝突
しないタイミングを
計算
光バッファ
衝突しないように
光パケットを待たせる
ICT Value Chain
29
大容量・高効率光ノード技術に対する期待
光技術導入のチャレンジ
将来の光ネットワーク
将来の光ネットワーク
（例えば，光パケットスイッチ）
（例えば，光パケットスイッチ）
現在の光ネットワーク
現在の光ネットワーク
通信網の中継点や分岐点（交換機）にお
いて、電気信号に変換して処理。
光信号
電気信号
通信網の端から端まで、データを電気変換せず
光のままで交換・伝送。
光信号
光信号
光ファイバ
光→電気変換
電気→光変換
超高速・
大容量化
電気的処理…電子回路の処理スピードに限界
ダウンロード遅い、遂にはネットワークダウン
遅延速度大
熱い！！
装置規模膨大
電子交換機
電気ルータ
2009.1.23
電気処理だけに頼っ
た現状インターネット
窒化物半導体応用
光処理…超高速で伝送・処理。
快適ダウンロード、いつでもすぐに繋がる、
環境にも優しい信頼できるネットワーク
高速処理
光パケットスイッチ 低消費電力
小型軽量
新世代ネットワーク
（将来）
ICT Value Chain
30
超高速光符号ラベル処理による光パケットSWシステム
＊ 光通信ネットワークにおいてWDM技術や40Gbps以上の光伝送技術の出現
によりネットワークリンクは超高速かつ大容量になった．
＊ しかしネットワークノードにおいては，電気処理に頼ったスイッチやルータが
用いられているため，パケット交換処理に際しメモリアクセス等の遅い処理
が含まれ，ボトルネックを生じる．電気パラレル処理の導入により，高速性
の実現は可能であるが，ノードにおける消費電力の極端な増加という深刻
な問題を引き起こす．
＊ パケットのアドレス部に光符号ラベルを用いることにより，ノード内部でのア
ドレス処理の光化を実現し，世界初の光パケットスイッチプロトタイプ開発に
成功した．その結果，上記ボトルネックを解消し，超高速・大容量ネットワー
ク実現が可能となる．
＊ 将来的には高機能かつ低消費電力ノードの実現が期待される。
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
31
４．まとめ
未来に向けた光技術のロードマップ
超高速・大容量
光ネットワークシステムからの視点
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
32
伝送容量 / ファイバ [bps]
陸上系伝送容量の進展と限界予測
1E
100P
１０桁
100P
10P
10P
1P
1P
壁
第１ブースター
光ファイバアンプ
10T
10G
1G
100M
実験システム
40Gx40
10Gx80
Moore’s Law
18ヶ月で２倍
400M
1980 1985
1.6G
2.4G
100T
光パワー制限
WDM
1T
100G
増幅帯域制限
~25T
100T
10G
O-TDM
１波長当り
E-TDM
1995
2000
2005
窒化物半導体応用
1T
100G
10G
商用システム
1G
Guilder’s Law 半年で２倍
1990
10T
電子デバイス速度制限
40G
年
2009.1.23
1E
第2ブースター
新規伝送路を含めた
イノベーション
2010
2015
2020
2025
現在
ICT Value Chain
33
光・量子技術併用で進展可能か？
世界人口
60億
(日本1.27億)
70億
(1.26億)
地球規模の危機
の顕在化
80億
(1.16億)
90億
(0.95億)
安全・安心で持続可能な社会
総トラフィック
ギガビット時代
テラビット時代
ペタビット時代
エクサビット時代
光アクセス
100M／個人
10G／個人
1テラ／個人
無線アクセス
1M／端末
100M／端末
1G／端末
新世代アーキテクチャ
NGN
光波通信の限界まで追究
光ネットワーク
技術の発展
10G／端末
・コヒーレント（多値化） ・WDM, SD M
・全光化
・オールバンド
政府安全保障グレードの
量子暗号技術実用化
古典的
光通信
技術の
限界
よりイノベーティブな
アーキテクチャ
量子制御技術の併用による
超大容量セキュア光通信
有無線一体のアクセスの実現
2025-2030年頃には光波・量子制御技術の併用で壁を乗り越える
その先の地球的危機も乗り越えるべくアーキテクチャを研究する必要がある
2000
2009.1.23
2010
2020
2030
窒化物半導体応用
2040
ICT Value Chain
2050
34
おわりに
• 光ＩＣＴは我が国がリードしてきた分野で、ブロードバン
ド大国を支えている重要な基盤技術
• ただし、最先端光ＩＣＴ技術も変曲点にあり、高速・高効
率・低消費電力化に向けたブレイクスルーが必要
• ブレイクスルー技術への挑戦的な姿勢が必要
• グリーンＩＣＴを支えるグリーン光ＮＷが今後は重要
• 革新的な光ＩＣＴ技術の中核は常に新しい機能の
光デバイス、電子回路など基盤研究がその基本
• 効果的な研究・開発には産学官の統一の取れた連携
が必須
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
35
ご清聴ありがとうございました
http://www.nict.go.jp
2009.1.23
窒化物半導体応用
ICT Value Chain
36