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Sep 23, 2023

世界初のテラヘルツサイン実証

Immagini dell'Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e della comunicazione (NICT):

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）

画像: 図1 直接テラヘルツ光変換と光波長制御によるテラヘルツ波信号の透過中継・スイッチングの概念。もっと見る

提供：情報通信研究機構（NICT）、住友大阪セメント株式会社、名古屋工業大学、早稲田大学

・世界初、大容量テラヘルツ波信号を別の場所へ透過的に中継・ルーティング・スイッチングするシステム ・直接テラヘルツ光変換とファイバーを用いて285GHz帯のテラヘルツ波信号を透過的に中継・スイッチング– 無線技術が実証され、32 Gb/s の容量を達成。 – このシステムは、5G ネットワークを超えたテラヘルツ通信の展開への道を開きます。

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長：徳田英之 博士）、住友大阪セメント株式会社（社長：諸橋弘恒）、名古屋工業大学（学長：木下隆敏）、早稲田大学（学長：田中愛治）と早稲田大学（学長：田中愛治）は、高速テラヘルツ波信号を透明に中継、ルーティング、スイッチングする世界初のシステムを共同開発しました。 285GHz帯の32Gb/sテラヘルツ波信号を光ファイバーに直接変換し、その透過中継と超短時間での異なるアクセスポイントへの切り替えを実証することに成功した。

主要技術には、テラヘルツ波信号を光信号に直接変換する新開発の低損失光変調器と、テラヘルツ信号の超高速スイッチングを実現する適応型ファイバ無線技術が含まれます。 開発されたシステムは、自由空間損失が大きい、浸透力が弱い、通信範囲が限られているなど、テラヘルツ帯域の無線通信の欠点を克服し、5Gおよび6Gネットワ​​ークを超えたテラヘルツ通信の展開への道を開きます。

この実証の結果は、2023年光ファイバー通信国際会議（OFC 2023）の締め切り後の論文として公開され、2023年3月9日（木）（現地時間）に発表されました。

テラヘルツ帯域の無線周波数は、5G および 6G ネットワークを超えた超高速データ通信の有望な候補です。 275 ～ 450 GHz 帯域の 160 GHz スロットが、モバイルおよび固定サービス用に最近オープンされました。 しかし、高い自由空間損失と弱い透過性がボトルネックとして残り、屋外から屋内への長距離伝送や障害物のある環境では信号を伝送することが困難です。 これらの欠点を克服し、通信範囲を拡大するには、異なる場所間でのテラヘルツ信号の透過的な中継とルーティングが不可欠です。 しかし、これらの機能は現在の電子技術では実現できません。 さらに、テラヘルツ信号のビーム幅は狭いため、ユーザーが移動しているときに中断のない通信を実現することが困難になります。 異なる方向と場所の間でのテラヘルツ信号の切り替えは、エンドユーザーとの通信を維持するために重要です。 しかし、この重大な問題は、電子技術または光技術を使用してまだ解決されていません。 エネルギーを節約し、干渉を減らすために、適切な間隔でテラヘルツ信号の放射をオンまたはオフにすることも重要です。

この研究では、次の 2 つの主要技術を利用して、285 GHz 帯域のテラヘルツ信号の透過的な中継、ルーティング、スイッチングを行う最初のシステムを実証しました (図 1 を参照)。(i) 新しく開発された低損失光変調器と ( ii) 超高速波長可変レーザーを使用した適応型ファイバーワイヤレス技術。 このシステムでは、テラヘルツ信号が受信され、低損失光変調器を備えたテラヘルツ光変換デバイスを使用して光信号に直接変換されます。 波長可変レーザーからの光信号は変調器に入力され、波長ルーターを使用して、特定の波長が割り当てられているさまざまなアクセス ポイントに信号をルーティングします。 アクセス ポイントでは、変調された光信号は、光テラヘルツ コンバータを使用してテラヘルツ信号に変換されます。 テラヘルツ信号は、波長可変レーザーの波長を切り替えることで、異なるアクセス ポイントに切り替えることができます。 波長可変レーザーは独立して制御でき、テラヘルツ信号を同時に生成できるアクセス ポイントの数は、アクティブな波長可変レーザーの数と同じになります。 本研究で開発した技術により、285GHz帯におけるテラヘルツ信号の透過中継・スイッチングの実証に初めて成功し、直交4QAM（Quadrature Amplitude Modulation）方式による伝送容量32Gb/sを達成しました。周波数分割多重 (OFDM) 信号。 10μs未満でテラヘルツ波信号を切り替える可能性を評価し、テラヘルツ帯で途切れのない通信が可能であることを確認した。

このシステムは以下の主要な要素技術で構成されています。 ・新開発の低損失光変調器によるテラヘルツ信号から光信号への直接変換（図2参照）：Xカットニオブ酸リチウム（LiNbO3）にTi拡散を行うことで実現最大 330 GHz で動作する低誘電率層の厚さ: ≤ 100 µm) - 波長可変レーザーの波長を制御してテラヘルツ信号をさまざまな場所にルーティングおよび分配することによる超高速テラヘルツ信号スイッチング - 4-QAM OFDM 信号伝送

テラヘルツ信号をさまざまな場所に透過的に中継および分配することにより、テラヘルツ帯域の無線信号の高い自由空間損失と透過損失を克服でき、通信範囲を大幅に拡大できます。 さらに、信号を異なる方向/場所に即座にルーティングして切り替えることで、障害物が発生したりユーザーが移動したりしても通信を維持できます。 さらに、アクセスポイントからのテラヘルツ波信号の発信を適切な間隔でON/OFFすることで、省電力化と干渉低減を実現します。 これらの機能により、提案されたシステムは、テラヘルツ波通信のボトルネックを克服し、5G および 6G ネットワークを超えた展開への道を開くための有望なソリューションとなります。

今後は、本研究で開発したテラヘルツ光変換デバイスやファイバー無線技術を研究し、更なる高周波化と伝送容量の増大を目指します。 また、ファイバー無線通信システムやテラヘルツ波通信システムに関する国際標準化や社会実装活動を推進します。

本実証の成果は、光ファイバ通信分野における最大級の国際会議「2023 International Conference on Optical Fiber Communication（OFC2023、3月5日（日）～3月9日（木））」にて発表されました。 高い評価を受け、最新の重要な研究成果が発表されることで知られるポストデッドラインセッションで2023年3月9日（木）（現地時間）に発表されました。

- International Conference: 2023 Optical Fiber Communications (OFC 2023), March 2023, paper Th4A.6 (PostDeadline Paper)- Title: Transparent Relay and Switching of THz-wave Signals in 285-GHz Band Using Photonic Technology- Authors: Pham Tien Dat, Yuya Yamaguchi, Keizo Inagaki, Shingo Takano, Shotaro Hirata, Junichiro Ichikawa, Ryo Shimizu, Isao Morohashi, Yuki Yoshida, Atsushi Kanno, Naokatsu Yamamoto, Tetsuya Kawanishi, Kouichi Akahane

・「時速500kmで移動するユーザーの途切れない通信を目指して」https://www.nict.go.jp/ja/press/2018/05/08-1.html

・「世界初、低損失光変調器とダイレクトフォトニックダウンコンバージョンを用いた100GHz帯透過型ミリ波ファイバーシステム」https://www.nict.go.jp/press/2021/08 /06-1.html

実験研究

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