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波の三要素(振幅、周波数、位相)の有効活用を目指して

川西哲也 (かわにし てつや) - 基礎先端部門 光情報技術グループ 主任研究員

1998年 通信総合研究所(現NICT)入所。主に高速変調器、光によるミリ波発生、光周波数制御などに取り組む。


はじめに

TVコマーシャルでおなじみの家庭用光通信サービスは、近年、低価格で提供され、 光を用いたデータ伝送技術も身近なものとなってきました。 さらに、放送と通信の融合を目指した企業間の提携、連携に関するニュースが大きな話題となっていましたが、 このような動きがさらに進めば、より品質の高い動画や、 データを瞬時にインターネットを通してやりとりしたいというニーズが急速に増加することは間違いありません。 近い将来の莫大な通信需要に対応するために、様々な光通信技術開発の研究が進められています。 一方、電波を使った無線通信技術開発の進歩もめざましく、携帯電話はもとより、 無線LAN、電子マネー、電子タグなど様々な分野で利用されています。光と電波は一見すると全く別物ですが、 どちらも波の性質を持つという点では共通です。

波を特徴づける要素は3つあります。波の振幅(強度)と、周波数(色)、位相(タイミング)の3つです。 通信システムではこれらの要素のいずれかを変化させて情報を送っています。 このように情報伝送のために光や電波などを変化させることを変調と呼び、様々な方式が研究されています。 しかし、無線通信分野では周波数変調が広く使われているのに対して、光通信技術分野では振幅変調、 位相変調の研究が中心となっており、周波数変調(FSK)はほとんど使用されることがありませんでした。 これは、光周波数(光の色)を高速かつ安定に変化させる技術がなかったためです。 この問題を解決するためにNICTでは独自のデバイス構造をもつ 世界初の高速光周波数シフトキーイング(FSK)変調器を開発しました。 これにより光の強度、色、振動のタイミングのすべてを高速かつ安定に変化させることが可能になりました。 ここでは光FSK変調器の原理と、それを使った通信システム研究の一例を紹介します。

光FSK変調器の原理

光や音などの波の速度が変化すると周波数が変化します。 いちばん身近な例では救急車のサイレンが、車が近づいてくるときには高い音に、遠ざかるときには低い音に聞こえるという現象があります。 これはドップラー効果と呼ばれるもので、波を起こす部分が動いているときに起こります。 光FSK変調器はこの現象を利用しています。開発した変調器は4つの位相変調器からなっており、 それぞれが光の速度をすばやく変化させる機能を持っています。 光の速度の変化を繰り返すと、もとの光と同じ色の光、少し赤くなった光、青くなった光の3つが発生します。 (実際には色の変化はわずかです。また、光通信では肉眼で見ることのできない赤外線を使いますが、 説明では身近な光として赤い光、青い光と表現します。) この3つの光の中で、赤い光か青い光だけを選んで取り出すことができれば、光の色を使った通信ができます。

光FSK変調器では、不要な光を消すために波の干渉という現象を使っています。 2つの波をあわせるときに、波の山と山、谷と谷がちょうどあうタイミング(位相があっているといいます)で混ぜ合わせると、 その波は強めあいます。一方の波が山のときに、もう一方の波が谷だとすると(位相が逆)、互いに打ち消しあいます。

このような現象を波の干渉といいます。光FSK変調器では4つの位相変調器を2組ペアで使います。 1つのペアの中では、3つの光のうち、もとのままの光が打ち消されるようになっています。 ですから、1つのペアから出てくる光は赤い光と、青い光の2つです。 今度は、このペアから出てくる光をまぜあわせます。このときに位相を赤い光が強めあって、 青い光を打ち消しあうようにしたり、逆に青い光が強めあって、赤い光を打ち消しあうようにしたりします。 位相は2つのペアから出てくる光を混ぜ合わせる部分に電圧をかけることで調節できます。 この電圧を高速に変化させると、光の色つまり周波数が瞬時に切り替わり、高速の光FSK変調信号の発生が可能となります。

FSK変調でラベルを自在に書き換える

インターネットや携帯電話ではパケット通信システムが広く利用されています。 送ろうとするデータ(ペイロード)にその宛先などの情報(ラベル)をつけるというもので、 そのラベルに基づいて経路などが定められます。 ちょうど、郵便局では中身まで明けずに表に書かれた宛先を頼りに小包の運搬先をきめているのと同様です。 光通信では処理を高速化するために、経路をきめる中継点ではペイロードは光のままで、 ラベル情報のみを電気信号に変換するという方法の研究が進められています。 NICTではラベルに光FSK変調を利用し、そのラベルを自由に書き換える方法を提案し、その原理確認を行いました。 FSK変調速度としては10Gbpsを実現しており、世界トップレベルです。 また、FSK変調信号をPSK変調信号に光のままで変換するという技術も世界に先駆けて実現しました。

おわりに

光FSK変調器により、これまで実現が困難とされてきた高速光周波数制御に世界で初めて成功しました。 変調器単体としてはすでに技術移転が完了し、市販されています。 今後、変調速度のさらなる高速化や、様々な光周波数制御技術の開発を進めて、 光の三要素(振幅、周波数、位相)のすべてを高速・高精度に操る技術を実現し、 次世代通信システムの高速・大容量化に貢献したいと考えています。 また、計測・環境モニタなどの分野での利用も大いに期待できる技術で、 情報通信技術と環境計測技術が融合したユビキタス時代にふさわしい 安心・安全・便利なインフラを提供するための要素技術の確立を目指します。


Q. "青くなった光"など"青い光"と本文中にありますが、最近注目された発光ダイオードの青い光とは違うのですか。
A. 発光ダイオードによる光の色は、ガリウム砒素、窒化ガリウムなどを主な材料にしたダイオード(半導体素子)に、 電流を流すことで発光させるもので、低電圧で動作するのが特長です。 一方、変調器はそれ自身は光らず、レーザで作られた光を赤っぽく変化させたり、 青っぽく変化させたりするものなので、仕組みが大きく異なります。
Q. 市販もされているとのことですが、変調器の大きさとはどのようなものなのでしょうか。
A. NICTのライセンス供与を受けたメーカーの製品を例にとると、 本体部分の全長は130mm、幅は15mm、高さ(厚さ)は10mmというもので、ちょっと大きな板ガムといった感じです。 主なユーザーとしては、光通信用部品、高精度光計測、高速通信などに関連する企業や研究機関があげられます。

変わる光の色の“向こう”にあるもの
光FSK変調器は、直接的に私たちの手や目に触れるものではありませんが、この技術の応用によって、 1本の光ファイバーで多数の光信号を伝送する波長多重技術と組み合わせて、 10テラビット(1012ビット)程度の光通信が可能になるでしょう。 それにより、ハイビジョン動画像伝送などの大容量の通信や放送、 光通信用部品やガスセンシング※を使った超高速・高精度光計測、光周波数測定など、 さまざまな分野への応用が期待されます。
※ガスの物理量を検出する方法。ガスの分子に共鳴する「光」を照射して、ガスの濃度などを検出する。