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光ファイバ内の光エネルギーを活用し、 同一素子で100GHz高速光信号受信と光起電力発生を同時に実現

早稲田大学理工学術院 川西哲也(かわにしてつや)教授(基幹理工学部)は、国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT、理事長:坂内 正夫)ネットワークシステム研究所株式会社 日立国際電気(日立国際電気、社長:佐久間 嘉一郎)と共同で、高効率高速受光素子の開発に成功しました。本素子を搭載したモジュールに光ファイバを接続すると、電源なしで光信号から100GHzのミリ波信号(4mW)を発生させることが可能です。本成果は、これまで障壁となっていた光-ミリ波変換モジュールへの外部電源供給問題を緩和するもので、変換モジュールの大幅な低コスト化により、光ファイバとミリ波帯無線を融合した、滑走路上の異物検出システムや高速鉄道向け高速通信システムなどへの市場創出が期待されます。なお本研究の一部は、総務省電波資源拡大のための研究開発の一環として実施されたものです。

ポイント

  • 同一素子で高速光信号受信と光起電力*1発生が同時に行える高速受光素子*2を開発
  • 外部電源なしで、光ファイバ接続により、高速光信号受信と光起電力の同時発生を実現
  • 次世代光ファイバ無線システム*3の要素デバイスとして、高速鉄道向け高速通信システム等に応用可能

背景

ミリ波帯は、100Gbps級の超高速無線通信を可能とする一方で、その発生の困難さと、伝搬距離の短さから、必要なところまで有線の光ファイバで届け、必要最小限の距離を無線の電波で伝える有無線融合ネットワークとしての実現が期待されています。しかし、光信号とミリ波信号の変換モジュールに電源が必要であることや、システムの構成が複雑などの課題がありました。NICTでは、これらの課題を解決するために、光信号をミリ波信号に変換する素子の開発を進めてきました。

今回の成果

20160912_fig0新しい高速受光素子(自己発電型高速受光素子)は化合物半導体*4技術を用いたもので、特殊なPN接合*5構造を配置することで外部電源を必要とせず、同素子から信号出力と併せて起電力を得られることがわかりました。本技術の開発により、簡単な構成で光信号からミリ波信号への変換が可能となり、光ファイバ通信と電波による無線システムのメリットを併せ持つ有無線融合ネットワークの大幅低コスト化が期待されます。

今後の展望

今後はミリ波帯レーダーを用いた滑走路上の異物検出システムや、高速鉄道などで利用可能な光ファイバとミリ波帯無線を融合した高速通信システムへの応用を検討していきます。なお、本研究成果については、2016年5月に米国サンノゼコンベンションセンターで開催されたレーザーなど光デバイスに関する世界最高峰の国際会議CLEO2016のポストデッドラインセッションにて発表を行いました。また、2016年9月にドイツ、デュッセルドルフで開催されるECOC2016でも関連技術の発表を行う予定です。

用語解説

  • *1 光起電力……物質に光を照射することで起電力が発生する現象。太陽電池などで利用されている。
  • *2 高速受光素子……光検出器として働く半導体ダイオード。その構造は主にPN接合を有する。光通信における受信機に使用されている。
  • *3 光ファイバ無線システム……光ファイバを利用して無線信号を中継伝送し、基地局からの無線通信では電波が届きにくい・届かない地域や領域への無線信号を配信する技術。
  • *4 化合物半導体……ガリウムヒ素、インジウム燐で代表されるような2つ以上の原子より構成されている半導体。
  • *5 PN接合……半導体中でp型の領域とn型の領域が接している部分。

(1)これまでの研究で分かっていたこと(科学史的・歴史的な背景など)

ミリ波帯は、より高速の無線通信、より高精度のイメージングを可能とする新たな電波帯域として注目を集めていますが、その発生の困難さと、伝搬距離の短さから、必要なところまで有線の光ファイバで届け、必要最小限の距離を無線の電波で伝える有無線融合ネットワークの実現が期待されています。しかし、光信号とミリ波信号の変換に電源が必要であることや、システムの構成が複雑などの課題がありました。本研究では、これらの課題を解決するために、光信号をミリ波信号に変換するデバイスの開発を進めてきました。

(2)今回の研究で新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

今回、研究グループは、光通信や光ファイバ無線技術に向けた、新しい高速受光素子を開発しました。高速受光素子とは、光信号を電気信号へ変換する、光通信技術の中で重要なキーデバイスを示します。これまでに、このような高速受光素子は、さまざまな研究機関により、開発が行われてきましたが、その機能は単純に光信号から電気信号へ変換するものでありました。今回の研究では、上記光電変換に加え、太陽電池に見られるような起電力を同素子から取り出すことに世界で初めて成功しました。

(3)そのために新しく開発した手法

新しい高速受光素子は化合物半導体技術を用いたもので、特殊なPN接合構造を配置することで外部電源を必要とせず、かつ同素子から信号出力と併せて起電力を得られることがわかりました。

(4)今回の研究で得られた結果及び知見

一般に、高速受光素子からのミリ波信号出力は小さいので、後段に電気増幅器を繋げて電気出力を大きくします。しかし、この増幅器を動作させるためには別個の電源を用意する必要がありました。今回我々は、開発した受光素子によって、ミリ波帯信号と同時に取り出した起電力を使って、後段電気増幅器の駆動制御を行い、100GHz帯で高い光電変換効率と約4mWの高出力ミリ波信号の発生に成功しました。

(5)研究の波及効果や社会的影響および今後の課題

このような新しい技術を用いることで、受光素子への電源供給方法が大きく改善できる可能性があります。将来的には、外部電源不要で1本の光ファイバのみで大きな無線信号が取り出せるよう、今後、特性の改善に努めていきたいと考えています。

今後、ミリ波帯レーダーを用いた滑走路上の異物を検出するためのシステムや、高速鉄道などで利用可能な光ファイバとミリ波帯無線を融合した高速通信システムへの応用を総務省電波資源拡大のための研究開発を実施しているコンソーシアム(日立製作所、情報通信研究機構、電子航法研究所、鉄道技術総合研究所)と連携して、検討していきたいと考えています。これらの光・ミリ波融合技術の事業化は日立国際電気が中心に取り組みを進める予定です。

(6)説明図

20160912_fig120160912_fig2,3

(7) 研究内容に関するお問い合わせ先

国立研究開発法人情報通信研究機構
ネットワークシステム研究所 梅沢俊匡、山本直克(研究マネージャー)
TEL:042-327-7528、6982
E-mail:[email protected], [email protected]

早稲田大学理工学術院 川西哲也教授
TEL:03-5286-3386
E-mail:[email protected]

株式会社 日立国際電気
映像・通信事業部 システム設計統括本部
通信システム設計本部 交通システム設計部 加島謙一
TEL:042-322-3111
E-mail:kashima.kenichi@h-kokusai.com

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