【ITニュース解説】Novel hollow-core optical fiber transmits data faster with record low loss

現代社会において、インターネットやクラウドサービスは私たちの生活やビジネスに不可欠な存在である。これらのITシステムを支える根幹技術の一つが、データを光の速さで送る光ファイバーだ。スマートフォンで動画を視聴したり、オンライン会議に参加したり、膨大な量のデータを瞬時に処理するAI技術を利用したりと、あらゆるデジタル体験の裏側では、光ファイバーが情報を高速にやり取りしている。しかし、現在の光ファイバー技術にも、さらなる進化が求められる課題が存在する。

従来の光ファイバーは、主にガラスでできた細い糸のような構造をしている。中心部には光を通す「コア」と呼ばれるガラスがあり、その周りを異なる性質のガラスである「クラッド」が覆っている。光信号はこのコアの中を、クラッドとの境界面で全反射を繰り返しながら進んでいく。この仕組みによって、光は非常に長距離を伝送できる。しかし、光がガラスの中を進む際には、いくつかの物理的な制約を受ける。まず、光の速度は真空中が最も速く、ガラスの中では空気中よりも遅くなる。具体的には、真空中での光速の約2/3の速度でしか進めないため、データ伝送の遅延が発生する。さらに、光がガラスの素材自体に吸収されたり、微細な構造によって散乱したりすることで、信号のエネルギーが徐々に失われていく。これを「損失」と呼び、信号が弱くなると、情報を正確に伝えることが難しくなる。特に長距離の通信では、この損失を補うために途中に中継器を設置する必要があり、コストやシステムの複雑さが増す原因となっていた。

これらの課題を根本的に解決するために研究が進められているのが、今回注目されている「中空コア光ファイバー」である。その名の通り、従来の光ファイバーの中心にあるガラスのコア部分を、空気や真空に置き換えた構造を持つ。これにより、光がガラス中ではなく、空気中を伝播することが可能になる。空気中であれば、光はガラス中よりもはるかに速く進むことができるため、データ伝送の遅延を大幅に削減できるという大きな利点がある。理論的には、空気中での光速に近い速度で情報をやり取りできるようになるため、現在の通信速度の限界を押し広げる可能性を秘めている。

しかし、単に中心を空洞にするだけでは、光は簡単に外へ漏れ出してしまい、信号の損失が大きくなってしまう。光を中空コアの中に効率的に閉じ込めるための特殊な技術が必要となる。そこで用いられるのが、コアの周囲に微細な穴を多数設けたり、周期的な構造を持たせたりする「フォトニック結晶構造」などの工夫だ。この複雑な構造が、あたかも鏡のように光を中空のコアの中に閉じ込める役割を果たす。これにより、光は空気中を高速で進みながらも、外に逃げ出すことなく安定して伝送されるようになる。これまでの研究では、中空コア光ファイバーは理論的な優位性を持つ一方で、製造の難しさや、長距離伝送における損失の大きさといった実用化への課題も多く存在した。特に、曲げたり、接続したりする際の損失が大きくなりがちな点も克服すべき課題だった。

今回発表された「記録的な低損失」を達成した新しい中空コア光ファイバーは、これらの課題を大きく前進させる画期的な成果と言える。これは、従来のガラスファイバーに匹敵するか、あるいはそれを超えるレベルで光信号の損失を抑えることに成功したことを意味する。損失が極めて小さいということは、光信号が長距離を伝送しても弱くなりにくく、途中に設置する中継器の数を減らせることを意味する。中継器の削減は、システムの構築コストや運用コストの低減につながり、電力消費も抑えられるため、より環境に優しいデータセンターやネットワークの実現にも貢献するだろう。また、信号品質が高く保たれることで、エラーの発生を抑え、通信の信頼性を向上させることにもつながる。この技術的ブレークスルーは、中空コア光ファイバーの実用化に向けた大きな一歩であり、近い将来、私たちの日常の通信インフラを大きく変える可能性を秘めている。

システムエンジニアを目指す皆さんにとって、このような基盤技術の進化は、未来のITシステムを設計し、構築していく上で非常に重要な意味を持つ。例えば、金融市場におけるアルゴリズム取引では、ミリ秒単位の遅延が大きな利益差を生むため、超低遅延の通信インフラが不可欠だ。中空コア光ファイバーは、このような要求に応える強力なツールとなるだろう。また、データセンター間での膨大なデータ転送や、5G、さらには将来の6Gといった次世代モバイル通信のバックボーンとしても、その高速性と低遅延性能が最大限に活用される。自動運転、遠隔医療、リアルタイムのVR/AR（仮想現実・拡張現実）といった、さらなる高速・低遅延が求められる新しいアプリケーションの実現も、この技術の恩恵を受けることになる。システムエンジニアは、新しい光ファイバー技術によって提供される高い性能を理解し、それをどのようにシステム設計やアプリケーション開発に活かすかを考える必要がある。この技術が普及すれば、これまで遅延や帯域幅の制約によって実現が難しかった新たなサービスやビジネスモデルが次々と生まれてくることが期待される。未来のITインフラを支え、革新的なサービスを創り出すために、このような最先端の技術動向に常に注目し、学び続けることが重要となる。