東工大ら,シリフォト技術で光渦多重器を開発

東京工業大学は,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多重器を開発した。シリコンフォトニクス技術を用いて,波長無依存性な光渦合分波に成功し,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(ニュースリリース)。

100Gb/s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に加えて,光の2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,重要視される分野となりつつある。

光渦は等位相面が1波長で2πの整数倍(2π×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ー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。

今回,研究グループが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)。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。

光渦ジェネレータは,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)。

今回の開発品の最大の特長は,イオン注入技術による3次元湾曲シリコン導波路を用いている点で,これにより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という。

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,光ファイバー通信システムへの適応のためには,集積チップ化や,既存の多重化技術との併用性,各種ファイバーシステムに合わせた汎用性の3点が強く求められており,この開発品はこれらの条件を全て満たすものとなっている。

研究グループは,開発したデバイスは5つの光渦をクロストーク(混信)25dB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でき,今後,2023年までの実用化を目指すとしている。

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