東大ら,光学メタサーフェスで小型高速光受信器開発

東京大学,浜松ホトニクス,報通信研究機構(NICT)は,高速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)。

データセンター内の通信量が増大し続けており,高速な光トランシーバが必要とされている。また,Beyond 5Gにおいても,無線基地局間をつなぐ光アクセス網の情報トラフィックが大幅に増大すると予測されている。

これらの要求に応えるために、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やセルフコヒーレント光通信方式をデータセンターや光アクセス網にも導入することが考えられている。

セルフコヒーレント光信号を受信するには,光の偏波情報を受信する必要があり,多数の光学部品や干渉計からなる複雑な光回路を要するため,データセンターや光アクセス網のような短距離のネットワークに大量に導入するのは,大きさやコストの面で問題がある。

また,将来的には,マルチコアファイバなどを介して多数の光信号を並列に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高速な偏波受信器は未だ存在せず,実現が望まれている。

そこで研究グループは,従来構造とは異なり,コンパクトな光学メタサーフェスを用いた偏波受信器を新しく提案し,高速な光信号を受信できることを実験的に実証することに成功した。

研究において提案した光受信器は,波長以下の構造からなる光学メタサーフェス素子を適切に設計することで,垂直に入射された光を6つの偏波成分に分岐し,それぞれ異なる位置に集光する。

集光面に高速な受光器アレイを配置することで,光の偏波情報を高速に検出することができる。従来の偏波受信器と異なり,多数の光学部品や複雑な光回路を要しないため,超小型な光受信器が実現できるという。

厚み0.5mmの石英基板上にシリコンの微細構造を形成したメタサーフェス素子とインジウムリン基板上に作製された受光器アレイを用いて,セルフコヒーレント光信号の伝送実験を行ない,変調レート50Gbaudの4位相偏移変調(QPSK)信号や,20Gbaudの16値直交振幅変調(16QAM)信号などの高速な光信号を受信できることを示した。

今回は直径が2mmのメタサーフェス素子を実証したが,焦点距離を短くすることで,専有面積をさらに縮小可能。その結果,2次元アレイ状に高密度に並べることで、並列化した超小型かつ大容量の光受信器が実現できるとする。

研究グループは,将来のデータセンターやBeyond 5Gにおいて大量に必要となるテラビット級の光トランシーバを安価に実現するための有効な手段になるとしている。

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