シリコンフォトニクス技術による光渦多重器を開発

要点

• 光通信帯域に対応した光渦多重器の開発に成功
• 波長無依存性な光渦合分波を実現
• 次世代の大容量データ伝送のコアデバイスとして期待される

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院の雨宮智宏助教らは、産業技術総合研究所と共同で、光通信帯域に対応した光渦（ひかりうず^[用語1]）多重器を開発した。シリコンフォトニクス技術^[用語2]を用いることで、波長無依存性な光渦合分波^[用語3]に成功し、世界で唯一のモジュール実装されたデバイスを実現した。

開発したデバイスは5つの光渦をクロストーク（混信）25 dB（デシベル）程度で合分波でき、波長分割多重や偏波多重などの従来の多重方式も併用可能なことから、次世代の大容量データ伝送のコアデバイスとして期待される。

100ギガビット超光リンクの低コスト化と低消費電力が進められ、従来の多重方式に留まらず、光の自由度をより積極的に利用した次世代の方式が検討されている。中でも、光渦を利用した多重化方式は波面のらせん周期に情報を乗せることで、理論上無限チャネル多重化が可能である。大容量通信のキーコンポーネントであるマルチコアファイバ^[用語4]との整合性にも優れていることから次世代の方式として注目されている。

研究成果は3月3日～7日に米国サンディエゴで開催される光通信関連の世界最大の国際会議・展示会「OFC 2019」（The Optical Networking and Communication Conference & Exhibition 2019）で発表された。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られた。

背景

100ギガビット光ネットワークの本格的な導入に伴い、コヒーレント光通信技術^[用語5]が実用レベルに達している。そのような中、通信容量のさらなる増大に向けて、従来の波長多重方式^[用語6]に加えて、光の二つの自由度（偏波と光渦）を積極的に利用した伝送方式が注目されている。特に光の軌道角運動量にあたる光渦の工学的応用には未開拓の領域が多く、今後の研究において重要視される分野となりつつある。

光渦は図1に示すように、等位相面が1波長で2 πの整数倍（2 π×l ）になるように分布する（l は光渦モードのチャージ数と呼ばれる）。チャージ数の異なるモードは互いに直交性があるため、理論上はそれらを無限に多重化できることになる。

光渦は大容量通信のキーコンポーネントであるマルチコアファイバとの整合性にも優れていることから、次世代の多重化技術の最有力候補となっている。近年、南カリフォルニア大学やカリフォルニア大学デービス校などのグループを中心に、光渦多重と波長多重を組み合わせることで100 Tbit/s（毎秒100テラビット）級の伝送が実現されている。

研究成果

開発した光渦多重器は、「スターカプラ」および「光渦ジェネレータ」の2領域から構成されている（図2）。まず、入力光はスターカプラにおいて特定の位相差をもった複数の出力光に分波される。その後、それらの位相差を維持したまま、光渦ジェネレータから光を取り出すことで、光渦を生成する。

ここで、光渦ジェネレータは、図3に示すように3次元に湾曲したシリコン導波路の出射端が同心円上に並んだ構造となっており、導波路を伝搬した光は自動的に空間位相が同心円上に分布した光に変換される（入射時も同じ原理で、光渦多重された信号を光渦ジェネレータに入力することで、スターカプラの各ポートから分波された信号を得ることができる）。本開発品の最大の特徴はイオン注入技術^[用語7]による3次元湾曲シリコン導波路を用いている点であり、これによって低損失で波長に依存しない光渦ジェネレータを実現できる。

図5.

空間位相変調器によって生成された光渦を本開発品に入力したときの、各ファイバポートの出力特性（チャージ数が0と+2の光渦に対する結果のみ掲載）。5本の線はそれぞれ各ファイバポートに対応している。

開発品の特徴

光渦多重方式の市場導入へ向けて必須となる光渦合多重器だが、光ファイバ通信システムへの適応のためには、以下の3点が強く求められており、本開発品はこれらの条件を全て満たすものとなっている。

1.

集積チップ化
現在の光渦多重は、その大部分が自由空間データリンクとして研究されている。そのため、光渦の合分波のために比較的大きな光学系（>1 m²）を組む必要があり、光ファイバ通信システムに用いる系としては実用的ではない。それを受けて、小型化・低コスト化の面からチップ化が求められる。

2.

既存の多重化技術との併用性
既存の多重化技術と併用できることが必須となる。特に波長多重と併用するためには、Cバンド^[用語9]全域において、光渦合多重器の波長依存性が小さいことが望まれる。

3.

各種ファイバシステムに合わせた汎用性
光ファイバ通信システムにおける多重方式として光渦多重を採用する場合、マルチコアファイバによる通信が有望とされている。このとき、光渦合多重器に求められるのは、各種ファイバシステムに合わせた効率的な結合を実現することである。つまり、結合先のファイバ構造が予め分かっていた場合、それに合わせる形で、セルフアラインにチップを作製することが重要となる。

今後の展開

本開発品を用いた光渦多重方式は、波面のらせん周期に情報を乗せることで理論上無限チャネル多重化が可能とされていることから、次世代の大容量伝送のコア技術として期待される。今後、波長分割多重や偏波多重などの既存の多重方式を併用することで、2023年までの実用化を目指す。

また、光渦による多重化技術が国際標準となった場合、本開発品と同系統のデバイスが広く利用される可能性があり、シリコンフォトニクスの市場規模が大きく拡大すると期待される。

会議情報

会議名 :	The Optical Networking and Communication Conference & Exhibition 2019（OFC 2019）
講演タイトル :	Orbital Angular Momentum Mux/Demux Module Using Vertically Curved Si Waveguides
著者 :	Tomohiro Amemiya, Tomoya Yoshida, Yuki Atsumi, Nobuhiko Nishiyama, Yasuyuki Miyamoto, Youichi Sakakibara, Shigehisa Arai
会議Webサイト :	https://www.ofcconference.org/en-us/home/

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