東大など、光学メタサーフェスを用いた新構造の小型高速光受信器を開発

東京大学(東大)と情報通信研究機構(NICT)は5月17日、光の波長よりも小さな微細構造からなる光学メタサーフェスを用いることで、垂直に入射された信号光を偏波成分ごとに分離して検出できること、同技術を用いた高速光受信機を開発したことを発表した。

同成果は、東大大学院工学系研究科の種村拓夫准教授、同・相馬豪大学院生、同・中野義昭教授、浜松ホトニクス中央研究所第2研究室の野本佳朗専任部員、NICT ネットワーク研究所フォトニックICT研究センターの梅沢俊匡主任研究員、同・吉田悠来研究マネージャー、同・赤羽浩一研究室長らの共同研究チームによるもの。詳細は、光学とフォトニクスに関連する全般を扱うオープンアクセスジャーナル「Optica」に掲載された。

データセンター内の通信量は増大の一途をたどっており、今後のデータ爆発への対応に向けて、より高速な光トランシーバが必要とされている。また、次世代移動通信システムのBeyond 5Gにおいても、無線基地局間をつなぐ光アクセス網を流れる情報トラフィックが増大することが予測されており、そうした要求へ対応するために光の強度に加えて位相にも情報を載せて伝送する「コヒーレント光通信方式」や光信号と一緒に干渉光も伝送することで、コヒーレント光通信方式に比べて簡易に大容量の情報を伝送できる「セルフコヒーレント光通信方式」のデータセンターや光アクセス網への導入が検討されているという。

セルフコヒーレント光通信方式はコヒーレント光通信方式と比べて簡易に大容量情報を送れるものの、セルフコヒーレント光信号を受信するには、光の偏波情報を受信する必要があり、多数の光学部品や干渉計からなる複雑な光回路が必要とされるため、データセンターや光アクセス網のような短距離のネットワークに大量に導入するには、大きさやコストの面で問題があるとされてきた。また、将来的には、次世代通信用のマルチコアファイバなどを介して多数の光信号を並列に伝送する必要性が指摘されているが、そのような並列化された光信号を一括受信できるコンパクトかつ高速な偏波受信器はまだ存在していないという。

そこで研究チームは今回、こうした課題を解決するため、従来構造とは異なり、コンパクトな光学メタサーフェスを用いた偏波受信器を新しく提案し、高速な光信号を受信できることを実験的に実証することにしたという。

今回の研究で提案された光受信器は、光の波長以下の構造からなる光学メタサーフェス素子を適切に設計することで、垂直に入射された光を6つの偏波成分に分岐し、それぞれ異なる位置に集光。集光面に高速な受光器アレイを配置することで、光の偏波情報を高速に検出することが可能だという。従来の偏波受信器とは異なり、多数の光学部品や複雑な光回路を要しないため、超小型な光受信器が実現できるとする。

光学メタサーフェスを用いた高速偏波受信器のイメージ (出所:東大プレスリリースPDF)

実際に、厚み0.5mmの石英基板上に、シリコンの微細構造を形成したメタサーフェス素子と、InP基板上に作製された受光器アレイを用いた、セルフコヒーレント光信号が作製され、伝送実験が実施されたところ、変調レート50Gbaudの4位相偏移変調(QPSK)信号や、20Gbaudの16値直交振幅変調(16QAM)信号などの高速な光信号を受信できることが確認されたと研究チームでは説明している。

光学メタサーフェスを用いた垂直入射型偏波受信器の模式図と試作したメタサーフェスの電子顕微鏡像 (出所:東大プレスリリースPDF)

今回の研究では、直径2mmのメタサーフェス素子を用いて実証されたが、研究チームによると、焦点距離を短くすることで、専有面積をさらに縮小することも可能だとしており、それら小型化したものを2次元アレイ状に高密度に並べることで、超小型ながら大容量の光受信器を実現できるという。このような素子は、将来のデータセンターやBeyond 5Gネットワークにおいて、大量に必要となるテラビット級の光トランシーバを安価に実現するための有効な手段になることが期待されると研究チームでは説明している。