衛星・HAPS等に搭載可能な小型光通信端末による2 Tbit/s空間光通信に、世界で初めて成功

NICTが開発した小型光通信端末システムには、高機能型のFX（Full Transceiver：光送受信器）と簡易型のST（Simple Transponder：簡易光送受信器） の2種類があります（図2参照）。2024年、NICTは今回の実験で使用された初の実用的光通信プロトタイプの開発を完了しました[1]。これらの端末は、コンポーネントの構成と内部の適応動作により、様々なプラットフォームやシナリオに柔軟に対応できるように設計されており、アプリケーションに応じて、適切な基本構成を選択することができます（図2参照）。小型プラットフォームやシンプルな運用を想定した場合は ST型を、大容量・高性能が求められる場合は FX型を選択します。また通信要件に応じて、10G型（10 Gbit/s以下）または100G型（100 Gbit/s以上、波長分割多重技術を用いて複数チャネルを使うことでTbit/s領域まで対応可能）のモデムを選択し、多種多様な要求に対応できます。さらに、一旦基本構成が決まると、端末は内部の調整機能によって変動するリンクの状況に応じて自動的に性能を適応させます。

端末をキューブサットの厳しいサイズ・質量・消費電力（SWaP）の制約内に収め、かつ移動体での運用を想定した動的環境へ対応するため、以下の三つのアプローチを実施しました。

2 Tbit/sモデム（図3参照）は、ST及びFX端末と組み合わせてフィールド実験で使用できるように、コンパクトなフォームファクター（20×20 cmの単一ボード）で設計されました。このモデムは1チャネル400 Gbit/sを5チャネル波長多重し、同一伝送路で最大2 Tbit/sの伝送速度を実現しています。各チャネルは最大400 Gbit/sで動作可能ですが、伝搬経路の状況が悪化した場合には100 Gbit/sまでデータ速度を低下させて適応できます。各チャネルの光信号はモデムで1本の光ファイバに多重され、高出力増幅された後に送信されます。受信側では受信した微弱な光信号が増幅された後、5つのチャネルが分離され、ノイズを取り除き信号対雑音比を向上させます。

2 Tbit/sモデムの小型化を実現するため、NICTはこれまでの10 Gbit/sモデルで実証された手法を応用しました。従来のように部品を個別に組み合わせる方法では装置が大型化し、一方、フォトニック集積回路（PIC）によるモデム全体の一体化には多大な投資と時間が必要です。そこでNICTは地上の光通信で使用されている小型・高性能な部品を活用する現実的なアプローチを採用し、データセンター向けに開発された高速光トランシーバを今回の空間光通信小型モデムに効果的に組み込み、小型化と高性能化を両立しました。

今回の実験は、FX端末をNICT本部（東京都小金井市）に、ST端末を7.4 km離れた実験地点（東京都調布市）に、両端に異なるタイプの端末を設置して行いました。2024年に実施した実験での10 Gbit/sモデムを用いた実証実験から大幅に伝送速度を上げることを目指し、今回は2 Tbit/sモデムを選択しました。本実験における端末の主な役割は、端末間の高精度な指向方向アラインメントを維持することです。これは粗捕捉追尾システム（2軸ジンバル）と精追尾システム（MEMSミラー）によって実現されます。また、端末は送信前の高出力増幅（チャネル損失の補償）及び受信後の低雑音増幅（受信信号のパワーレベルを許容範囲内に引き上げる）を行い、帯域外成分を除去することで背景雑音をフィルタリングします。

実験で使用した ST 端末と FX 端末の外形寸法はそれぞれ 35 × 28 × 28 cm と 40 × 28 × 28 cm で、質量は約 13 kg と 28 kg で、HAPSに搭載可能なコンパクトな設計となっています（図1参照）。一般に、HAPSに搭載できる機器には、サイズが30〜50 cm程度、質量が5〜25 kg、消費電力が50〜200 W程度という制約がありますが、ST・FX端末は2軸ジンバルを備えながらも、これらの制約をおおむね満たすものです。また、キューブサット用の端末開発で更なる小型化を進めています。光学ヘッド自体はすでに小型化されており（図2参照）、両端末に共通する最も重量が大きいサブシステム—制御電子回路、光増幅器、電源管理部（図1では光学ヘッド下の四角いボックスで示す）についても、衛星搭載版に向けて既に小型化が実現されています（現行のST・FXプロトタイプには未統合です）。その結果、この衛星用端末全体の質量は約 4 kg（ジンバルを除く）となっており、2026 年打ち上げ予定の 6U キューブサットの半分のスペースに収めることを目標としています。この取組により、新型の ST・FX 端末は、占有体積及び質量の双方で50％超の削減を見込んでいます。

地上レベルの水平空間光通信実験は、宇宙での実証前に実現可能な大気条件下で実施されています。近年では100 Gbit/sを超える通信実験の成功が報告されています。アジアではNICTの実験以前にテラビット超えの空間光通信実験の報告はありませんが、中国の研究チームが2018年に長春市で1 kmの距離で120 Gbit/s を [2]、2021年に北京で2.1 kmの距離で100 Gbit/sを [3]、また2025年には青海湖で104.8 kmの距離で112 Gbit/sの単一チャネルでの通信を達成しています [4]。

欧州では、ドイツ航空宇宙センター（DLR）が2019年に10.45 kmで54チャネル合計13.16 Tbit/sの実験を実施しました [5]。2023年には、ETHチューリッヒがスイスアルプスを越える53 kmで単一チャネルでの1 Tbit/sの通信に成功しました [6]。ポルトガルのアヴェイロでの4 Tbit/s（2023年） [7] と、オランダのアイントホーフェンでの5.7 Tbit/s（2025年） [8] が報告されています。

従来のテラビット超えの空間光通信実証では、いずれも大型の任意波形発生器や高性能サンプリング・オシロスコープなどのラック／ベンチトップ計測器を中心に、レーザー光源・変調器・受信器といった離散部品を実験室型のセットアップで組み合わせ、モデムの光学系を構成していました。コヒーレント信号処理や FEC 復号は多くの場合、取得した波形を外部ソフトウェアでオフライン解析する方式であり、数多くの光ファイバパッチと大電力を要する機器を複数ラック分使用するため、サイズ・重量・電力（SWaP）制約のある移動体プラットフォームへの搭載は現実的ではありません。

さらに、空間光伝送部も、市販の望遠鏡や光学部品を固定屋上局に実験室型で組み上げた構成であり、プラットフォームが動的に移動する環境をサポートしていませんでした。したがって、これらはあくまで概念実証に留まり、HAPSや衛星などの移動体に搭載して非地上系ネットワーク（NTN）を支える目的には適さないシステムでした。

NICTが今回達成した7.4 kmにおける2 Tbit/s通信は、小型・軽量な端末とモデムによって長距離かつ超高速通信を初めて実現したものであり、実用化に向けた大きな前進になります。