東大ら,垂直入射型コヒーレント光受信器を開発

東京大学とKDDI総合研究所は,コヒーレント光受信器の新規構造を実証することに成功した(ニュースリリース)。

Beyond 5Gでは,光アクセス網を流れる情報トラフィックの大幅な増大が予測されている。このため,大容量のデータを効率良く伝送できるコヒーレント光通信方式を光アクセス網にも導入することが考えられているが,そのためには,安価なコヒーレント光受信器が必要になる。

コヒーレント光受信器は,現在,長距離の伝送系において広く使用されているが,多数の導波路や干渉計からなる複雑な光回路を要するため,短距離のネットワークへの大量導入は,大きさやコストの面で問題がある。また,導波路型のため,1次元方向に並べることしかできず,並列化可能なチャンネル数に限度がある。

一方,Beyond 5Gでは,大量の空間チャンネルを用い,マルチコアファイバなどを介して伝送する必要性が指摘されているが,そのような並列化された光信号を一括受信できるコンパクトかつ安価なコヒーレント光受信器は存在しない。

そこで研究グループは従来の導波路型とは異なり,2次元方向への並列化が可能な垂直入型のコヒーレント光受信器を提案し,高速な光信号を受信できることを実験的に実証した。

提案したコヒーレント光受信器は,半導体からなる高速な光検出部の直上に金属ナノ格子構造による偏光子を集積しており,偏光子の角度を0°,45°,90°,135°としたものを4つ並べた構成。

この構造に対して上面から信号光と局所光を左右円偏光状態にして入射すると,偏光子の角度に応じた位相差で信号光と局所光が干渉し,検出部で受光される。その結果,各検出部の光電流信号から信号光の複素振幅の実部(I信号)と虚部(Q信号)をそれぞれ検出できる。

従来の導波路型と異なり複雑な光回路を要しないため,光検出部の面積のみで決まる超小型なコヒーレント光受信器が実現できる。また,光の波長に関係なく,信号光と局所光との間に正確な位相差を与えることが出来るため,従来型よりも広い波長範囲にわたって使えるという。

作製したコヒーレント光受信器の検出部の面積は70mm×70mmと,従来の導波路型に比べて小さいが,原理的には数mmまで小さくすることが可能。この素子を用いて,変調レート64GbaudのQPSK信号や,50Gbaudの16QAM信号などの光信号を受信した。さらに,1280nmから1630nmの範囲にわたって動作することも実証した。

検出部の面積をさらに縮小して2次元アレイ状に並べることで,10チャンネル以上に並列化した超小型かつ大容量の受信器が実現できる。研究グループは,センシングや光コンピューティングにおいても応用が期待される成果だとしている。

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