世界初、多数の光信号を同時に電気信号に変換する高速集積型受光素子を開発

大容量光通信装置の大幅な小型化と低消費電力化を可能に

早稲田大学理工学術院 川西哲也教授は、国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT、理事長: 徳田 英幸)ネットワークシステム研究所と共同で、多数の光信号を同時に受信し、高速に電気信号に変換する高速集積型受光素子*1を開発しました。本素子は、約0.1mm2に32個の受光部を集積しており、光通信において多チャネルの光信号を一括受信し、チャネル別に10GHz以上の高速電気信号に変換します。

ネットワークの幹線やデータセンタでは、飛躍的に増大する情報量を限られたスペースと電力で処理する必要があります。本素子の開発により、多数の光受信器を集約し、大容量光通信装置の大幅な小型化と低消費電力化が可能となります。さらに、本素子の多チャネルの光信号を高速に処理できる特長は、イメージセンサやレーザ測距等への応用も期待されます。

ポイント

  • 世界初、米粒よりはるかに小さい約0.1mm2集積型の高速受光素子を開発
  • 新型光ファイバ伝送システムへの取組、多数の光信号を同時に受信し高速電気信号に変換
  • 膨大な情報が集中するネットワークの大容量光通信装置を、大幅に小型化かつ低消費電力化

背景

インターネットの通信量は急激に増加しており、膨大な情報が集中するネットワークの幹線やデータセンタでは、光ファイバや通信装置の設置スペースや消費電力の削減が課題となっています。NICTは産学と連携し、1本の光ファイバの中に7から36個の光通信路(コア)を収めたマルチコアファイバ*2を開発し、さらに、マルチ伝搬モード*3も利用したマルチコアファイバ1本で従来の100本分以上に相当する通信容量を達成しました。一方、光ファイバからの光信号は、これまでコアやモードごとに別々の光受信器で受信してきましたが、コア数の増加につれて受信器の占有体積が大きくなるため、通信システム全体の省スペース・省電力化が重要で光受信器の小型化が望まれていました。

今回の成果

米粒よりはるかに小さい「高速集積型受光素子」(赤い四角)

米粒よりはるかに小さい「高速集積型受光素子」(赤い四角)

NICTと早稲田大学は、光通信において波長多重伝送*4をはじめ将来のマルチコアファイバ等の多チャネル光信号の一括受信を可能とする集積型受光素子(右図)を開発しました。本開発の要素技術は以下のとおりです。

  • 素子間の信号の漏れを抑制するクロストーク制御技術*5
  • 光信号を電気信号へ変換する高速受光素子技術 (右図中央赤い四角)
  • 半導体を作製するための高密度集積技術
  • 性能評価技術

本開発では、早稲田大学はクロストーク制御技術を用いて集積化の設計を行い、NICTは高速受光素子技術、高密度集積技術により本素子を作製し、受信性能の評価を行いました。なお、高速受光素子技術の一部は、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。

本素子は、複数の光信号を一括受信して電気信号に変換するため、光受信器数を大幅に削減し、省スペース化を行い、さらに、各光受信器が搭載する消費電力の大きい信号処理回路を1つに集約することで省電力化を可能とします(補足資料 図2)。今回、本素子をマルチコアファイバ、マルチモードファイバと直結して光信号の受信に成功したことにより、将来の光ファイバ用超小型受信器の実現性を確認しました (補足資料 図3)。

また、本素子は2次元面上に到来する赤外光の強さと位相差*6を計測でき、イメージセンサやレーザ測距等への応用も期待されます。本素子は、CCD*7イメージセンサと比較して約1,000倍~10,000倍高速な10GHz以上で並列動作し、集積数を高めても動作速度への影響は小さく、フレームレートの高いイメージング等に有効と考えられます。

今後の展望

今後は、本素子の実用化に向けて、更に集積度の向上や小型パッケージ化等に取り組みます。また、光通信分野以外のイメージセンサやレーザ測距等への応用も開拓したいと考えています。なお、本研究成果は、2017年9月にスウェーデンで開催される光通信・光デバイスの世界最高峰国際会議ECOC2017で発表を行う予定です。

用語解説

  • *1 受光素子

光信号や光エネルギーを、電気信号や電気エネルギーに転換する素子。光の強度を検出する機能は、デジタルカメラ等のイメージセンサとして広く利用されている。光通信分野では、光の強度に加え、光の位相差を検出する機能を活かし、高速大容量通信を行う受信器として重要である。

  • *2 マルチコアファイバ
22コアファイバ

22コアファイバ

現在普及している光ファイバは、1本当たり1つの光の通り道(コア)を持つ構造。マルチコアファイバは、1本当たり複数のコアを持ち、同時並列に通信可能。従来の光ファイバを束ねるよりもはるかに小さい断面積で大容量通信を可能とするため、次世代の光ファイバとして期待されている。

光ファイバの最大伝送容量の世界記録を更新、2.15ペタビット毎秒を達成」(2015/10/01)
シングルモード22コアファイバと波長多重光を一括で生成可能な高精度光コム光源を用いて2.15ペタビット毎秒を達成

  • *3 マルチ伝搬モード
20170914_fig0-3

3モード36コアファイバ

光ファイバの限界突破に挑戦」(2015/3/26)
36コアすべてがマルチ伝搬モードの新型光ファイバと、既存の光ファイバとを空間結合装置を介して接続し、「36コア×3モード=108」の空間チャネルで通信波長帯の光信号の送受信実験に成功

  • *4 波長多重伝送

波長ごとに異なる情報を載せて、複数の波長の光信号を同時に一括で伝送する方式

  • *5 クロストーク制御技術

複数の通信経路やデータ信号源があるときに、その間で混信が起きる現象がクロストークと呼ばれる。この混信を適切に制御・抑圧することで効率的なデータ伝送を実現する技術

  • *6 光の強さと位相差

光通信で用いる光(赤外線)は、電波と同じく電磁波の一種で極めて速く振動する波で、1秒間に振動する回数(周波数)、大きさ(振幅)、波動のタイミング(位相)で表される。波の強さは、振幅の二乗に比例する。位相の差(ずれ)は、周波数の差、波が伝わる時間や距離の差に関連付けられる。

  • *7 CCD

Charge Coupled Deviceの略。固体撮像素子の一つで、ビデオカメラやデジタルカメラのイメージセンサのほか、光検出器等に広く使用されている半導体素子

1. 今回開発した高速集積型受光素子

図1:高速集積型受光素子の構造とイメージ

図1:高速集積型受光素子の構造とイメージ

32個の受光部が並列に、(1)から(3)の順に処理(高速受光素子技術)を行います。

  • (1)光ファイバからの高速光通信信号を受信する。
  • (2)光通信信号の振幅や位相の変化を光の強さの変化へ変換するために、周波数および振幅が一定である光基準信号と光通信信号を干渉させ波形の差を得る。
  • (3)光成分(青い波)を取り除き、信号成分(オレンジの波)のみ電気信号として変換する。

32個の受光部で得られた電気信号は、後段の信号処理回路へ並列に伝送後、一括処理され、受信した情報が得られます。受光部からの信号を順次取り出す方式では、集積数が大きくなるにしたがって全信号の取出しにかかる時間が増加しますが、本素子では並列に取り出せるため高速です。

2. 既存の光通信システムの利用イメージ

図2:現在の波長多重伝送システムの構成イメージ(上図)、今回開発した高速集積型受光素子を使用した場合のイメージ(下図)

図2:現在の波長多重伝送システムの構成イメージ(上図)、今回開発した高速集積型受光素子を使用した場合のイメージ(下図)

図2上は、現在の波長多重伝送システムの構成イメージ図で、波長ごとに光受信器が必要です。このため、光受信器全体の占有体積と光受信器内の信号処理回路における消費電力が大きくなります。

図2下は、本素子を使用した場合の構成イメージ図で、受信器を減らすことができます。現在の波長多重伝送では、100波長程度が多重されており、占有体積と消費電力を大幅に削減可能です。

3. 将来のマルチコアファイバの光通信システムの利用イメージ

これまで研究されているマルチコア伝送実験システムの構成イメージ(上図)、今回開発した高速集積型受光素子を使用したマルチコアファイバ伝送システムの構成イメージ(下図)

これまで研究されているマルチコア伝送実験システムの構成イメージ(上図)、今回開発した高速集積型受光素子を使用したマルチコアファイバ伝送システムの構成イメージ(下図)

図3上は、これまで研究されているマルチコア伝送実験システムの構成イメージ図です。ファンアウトを使い、マルチコアファイバの各コアとシングルコアファイバを接続し、それぞれのシングルコアファイバと受信器を接続しているため、コア数分の受信器が必要です。

図3下は、マルチコアファイバで本素子を使用した場合の構成イメージ図です。
マルチコアファイバのコアと受光素子内の受光部の配置を合わせると、理論的には光受信器1台で多くの光信号を受信することが可能となります。今回は、2つのコアで原理実験を行いました。また、マルチコアファイバによる基礎実験のみならず、マルチモード(3モード)による一括同時受信にも成功しました。

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