オンチップ光ネットワークのためのモード合分波器

インターネットやAIの普及に伴い、サーバやネットワーク機器を集約するデータセンター内では、大規模集積回路チップ内での光通信容量の拡大が求められています。このような背景から、通信容量を拡大する技術として、空間分割多重技術の一つであるモード分割多重 (Mode Division Multiplexing: MDM) 技術に注目が集まっています。MDM技術では、異なる固有モードが互いに直交し、干渉しないという性質を利用して信号の多重化を行います。図に示す山1つの光をモード0、山2つの光をモード1と呼びます。図に示す動作例では、異なるモードを合分波するモード合分波器を用いて、モード0とモード1を導波路bで同時に伝搬させることが可能です。

また、10mm²程度の設置面積であるチップ内で構築される通信システムでは、導波路の集積性が重要な課題です。本研究室ではこの課題に対応するため、様々な導波路設計技術を駆使し、小型化の実現に取り組んでいます。図に示す構造では、伝搬過程での意図しないモード同士の影響を回避するように、導波路形状を最適化する高速疑似断熱力学法を用いてデバイス長の短縮を達成しています。

長周期ファイバグレーティングを用いたMDL等化技術

データ通信量の爆発的な増加に対応するための光ファイバ通信技術の1つとして、一本の光ファイバで複数の光信号を同時に伝送する「モード分割多重伝送」が注目されています。この技術では、光の伝わり方の違い（モード）を利用して、複数の情報を独立して送ることが可能です。しかし、高次のモードほど光信号が減衰しやすく、モードごとの信号強度のばらつき（モード依存損失（Mode Dependent Loss: MDL））が信号処理を複雑にし、通信性能を制限する要因となっていました。

この課題を解決するため、本研究室では長周期ファイバグレーティング（Long Period Fiber Grating: LPFG）を用いたMDL等化デバイスを開発しています。LPFGは光ファイバのコア部分に周期的な屈折率変化（グレーティング）を形成することで、情報を伝える「コアモード」と損失の大きい「クラッドモード」が互いに変換し合うモード結合が生じるため、損失を制御することが可能です。ここでは、上図に示すようなMDL等価の具体例について説明します：①信号強度が異なる2つのコアモード（LP01: 100%、LP11: 50%）を入力します。②グレーティング部でLP01コアモードの一部をクラッドモードと結合させることで、LP01コアモードの信号強度を低下させます。③その結果、出力端では2つのコアモード（LP01、LP11）の信号強度が等しく（50%）なります。

こうした技術により、柔軟かつ高品質なモード分割多重伝送が可能となり、将来の高速大容量通信網の実現に貢献することが期待されています。

波面整合法による2×2 MMIカプラの最適化

データ通信トラフィックの増加に対応する光ネットワークの高速大容量化の手段として、光の位相・偏波の性質を用いるディジタルコヒーレント光通信があります。ディジタルコヒーレント光通信の受信機の構成要素として、多値変調された光信号を復調する光 90°ハイブリッドが必要です。ディジタルコヒーレント光通信の高速大容量化には、光90°ハイブリッドの性能向上が重要となります。

マルチモード干渉 (Multimode Interference: MMI) カプラは光の分岐・結合を行うデバイスであり、90°ハイブリッドの重要な構成要素として用いられます。MMIカプラの性能は90°ハイブリッド全体の性能に直結しますが、一般的にMMIカプラは小型化するほど性能が劣化する傾向にあります。そこで、所望の出力に近づくよう導波路の外形を微調整することで構造最適化を行う波面整合法を用いて、高性能な小型MMIカプラを実現する研究を行っています。

モード分割多重伝送のためのマルチモード接続器

近年、インターネットやモバイルサービスの発展にともない、インターネットトラフィックが増加し続けています。このようなインターネットトラフィックの急激な増加に対応するために伝送容量の拡大が求められています。現在利用されている長距離光通信システムは、単一コア中を単一モードで伝搬する、シングルモードファイバを伝送路として使用し、波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing: WDM)伝送方式により伝送容量を拡大しています。しかし、WDM技術による大容量化にも限界があり、さらなる伝送容量拡大のための技術として、モード分割多重(Mode Division Multiplexing: MDM)伝送が注目されています。

MDM伝送において、モードを合波した後、光ファイバに接続する必要がありますが、高次モードの接続は光導波路においてパワーが集中する２つの山の間隔がファイバに比べて狭く、パワーが強い部分が一致しないため、高い結合効率で接続することができません。そこで、基本モードに加えて高次モードも適切に接続するためのデバイスを研究しています。

アナログRoFシステムのための光マルチビームフォーマ

2030年頃に実現が期待されている第6世代移動通信システム (6G) では、ミリ波やサブテラヘルツ波といった100 GHzを超える電波の利用が予想されています。このような高周波数帯のビームフォーミングを可能とするシステムを現行のマイクロ波帯と同様の回路構成で構築することは、信号帯域幅にわたる時間遅延精度や挿入損失、電磁干渉の問題、物理的なサイズ・重量、消費電力の大きさといった観点で大きな限界があります。

これらの課題に対応するため、光行列演算回路を用いてアナログRoF信号の光位相を制御することにより、光領域でビームフォーミングを行う手法を提案しています。光技術を用いたビームフォーミングシステムは、利用可能な帯域幅がはるかに広く、回路サイズ、消費電力を著しく削減することができるため、従来手法に対する実現可能な代用技術として期待が高まっています。

異種結合型マルチコアファイバ

近年のインターネット上のデータ通信量増加に伴い、従来の光ファイバを超える伝送容量を持つ新たな長距離伝送用光ファイバが求められています。そこで注目されている伝送媒体の1つが、結合型マルチコアファイバ (Coupled Multi-Core Fiber: CMCF) です。CMCFは、光の伝送経路であるコアを密に複数配置することで、伝送容量の拡大を可能にした次世代の光ファイバです。CMCFは、結合の伴わないMCFとは異なり、コアの構造や配置方法によって光信号間の伝搬遅延差が大きく異なります。特に、光信号間の伝搬遅延差が大きいほど、光受信器側での信号復元処理コストが増加してしまう問題があります。

そこで本研究室では、光信号間の伝搬遅延差が小さくなるような、異なる種類のコア構造 (異種コア) を用いたCMCFの研究を行っています。異種コア構造を適切に設計することにより、コアが密に配置されていても光信号間の伝搬遅延差をゼロに近づけられることが知られています。このような2コアファイバ配置を応用して、さらにコア数を増やした場合でも光信号間の伝搬遅延差を低減できるCMCFを提案しています。