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慶応義塾大学の慶応フォトニクス・リサーチ・インスティテュート（KPRI）小池康博教授らの研究グループは、通信エラーをほとんど発現しないプラスチック光ファイバー（エラーフリーPOF）を開発したことを発表した。100m以内の短距離通信において、データセンター通信の次世代標準となるPAM4（4値パルス振幅変調）方式による毎秒53ギガビットの信号の伝送を、誤り修正機能を使うことなくエラーフリーで実現した。

光ファイバーは、通信速度が上がるにつれ、光の拡散やノイズの影響が大きくなり、誤データを補正する誤り訂正機能や波形成型回路が必要となることから、それによる消費電力の増大や通信の遅延が問題になっている。大量の高速通信が求められるデータセンターなどでは、電線に比べて格段に低損失なガラス光ファイバーが使われているのだが、光ファイバーには光伝送固有のノイズや問題が存在し、PAM4導入のネックになっている。通常、デジタル通信は0と1の2値で行われるが、PAM4では0、1、10、11の4値で行うため、通信速度が格段に高くなる代わりにノイズの影響を受けやすくなるのだ。

光ファイバーにはガラスとプラスチックの2種類がある。プラスチック光ファイバーは、安価で柔軟性が高く、信号強度がガラス光ファイバーよりも高いという利点がある一方で、光通信で問題となる光の散乱はガラスのほうが低く、特に長距離通信ではガラスが優れている。しかしKPRIでは、かねてより「屈折率分布型プラスチック光ファイバー」を提案しており、それをさらに進めて「内部にミクロ不均一構造を形成し、前方光散乱を介して効果的なモード結合を誘起する」ことによりノイズや歪みを大幅に低減した。そうして、高速性と低雑音性を兼ね備えたエラーフリーPOFが誕生した。

エラーフリーPOFは、通信の遅延、発熱、コスト上昇の原因となる補正回路がいらなくなるばかりか、データセンターの省電力化、自動運転車や作業用医療用ロボット、さらには8Kなどの大容量映像データ伝送に欠かせないリアルタイム通信が実現し、「次世代情報産業を支えるコアテクノロジーになる」とKPRIは話している。

地震の観測は重要な活動だが、精度をアップするためには地震活動が起きている場所になるべく近い地点に地震計を設置しなければならない。これが海洋の中心などになると困難を極める。そこでカリフォルニア大学バークレー校では海底に設置された光ファイバーケーブルを地震計に利用しようという研究が進められている。光ケーブルを利用して全地球的なテクトニクス観測ネットワークを構築しようという試みだ。

現在、地震計のほとんどは地上に設置されているため、地球に関するわれわれの知識は地球全体の3分の1しかない陸地に大きく偏っている。断層などの情報も海底については不十分だ。米国カリフォルニア大学バークレー校の研究のリーダーであるNathaniel Lindsey（ナサニエル・リンジー）氏は.「大洋底における精密な地震データがどうしても必要だ。 海岸からの距離がたとえば50kmでもいいから海底に設置された地震計が欲しい。それでも非常に役立つ」とリリースに書いている。

長期間精密にモニターできる地震計が海底にほとんどないのは、設置が難しいのはもちろん、データの取得、メンテナンスなどがすべて困難であり、莫大なコストがかかるからだ。しかしすでに海底に設置されているインフラが地震計に利用できるとしたらどうだろう？それがリンジー氏のグループが海底の光ファイバーで地震を観測するというプロジェクトを立ち上げた動機だという。

これらのケーブルはインターネットのバックボーン回線であることもあれば、企業のプライベートネットワークの一部の場合もある。しかし共通しているのは通信に光を使っていることだ。もしケーブルがねじれたり向きを変えたりすると光の進行に微小な散乱などの影響が出る。ケーブルが曲げられるるときに科学者が「後方散乱」（Backscatte）と呼ぶ現象が起きる。これを精密に解析すれば光ケーブルによって地震活動が起きた地点をこれまでには考えられなかった精度で決定できる可能性がある。

このプロジェクトではDAS（分散音響センシング、Distributed Acoustic Sensing）というテクノロジーが用いられている。これにより光ケーブルを何千もの区間に分割し、それぞれをモーションセンサーとして役立てようというものだ。チームがテストに用いているのはMBARI（モントレー湾水族館研究所）が設置した全長20kmの光ケーブルで、これを1万の区間に分けて微小な位置変化を検出しようとしている。

バークレー国立研究所のJonathan Ajo-Franklin（ジョナサン・アジョ・フランクリン）氏によれば、「これは地震研究の最前線だ。海底光ケーブルによって海洋底から信号を取り出して地層欠陥を観測しようという初めての試みだ」という。

チームはMBARIのケーブルに接続したDASシステムのデータを解析し、マグニチュード 3.4の地震を特定することに成功している。これによりモントレー湾において現在知られていない断層をマッピングし、また地震が影響している可能性がある海流のパターンについても新たな知見を得た。

リンジー氏は「データを取得するために海底に潜って機器をケーブルの途中にいくつも取り付ける必要がない。単にケーブルの端にアクセスできればいい」のが素晴らしい点だという。

もちろん一般の商用光ケーブルの場合、研究者が自由に機器を取付られるようなエンドポイントがそうそうあるわけではない。また後方散乱はきわめて微弱なため他のノイズに隠されてしまう。これを正確にフィルターするためのテクノロジーがテストされているところだ。もし大型の海底光ケーブルが地震観測に利用できることになれば大洋底の地震やテクトニクス運動がこれまでにない精度でモニタできる。本日11月28日、研究チームはこれまでの成果をScienceに掲載した。

画像：Getty Images

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（翻訳：滑川海彦@Facebook）