光渦を用いた大容量・高効率・高柔軟な光通信技術の研究
Research on high-capacity, efficiency, flexible optical communication technologies using optical vortex
コロナウイルスの影響によるリモートワークの拡大などが後押しとなり、今後も通信データ量の増加が続くと予想されている。このような通信を支えるネットワークへの要求条件として、更なる大容量化に加え、データ量の変動に対応する柔軟性を持たせ、高効率に運用することが求められる。
大容量化と柔軟性、高効率性の実現技術として光渦岸川 博紀 (Hiroki KISHIKAWA, Ph. D.)がある。軌道角運動量（Orbital Angular Momentum,

徳島大学 ポスト LED フォトニクス研究所 准教授

OAM）光ビームとも呼ばれる。光渦は新たな多重化の(Associate Professor, Institute of Post-LED Photonics,
Tokushima University)次元として期待されており、所望の伝送容量に応じて適用することで、大容量化だけでなく高柔軟、高効率電子情報通信学会 米国電気学会 米国光学会
研究専門分野：光通信工学 光信号処理な光通信ネットワークの実現に寄与できると期待される。本研究では、光渦を用いた大容量・高効率・高柔軟な光通信ネットワークの実現を目的とし、(1) 光渦の多重分離技術、(2) 光渦の光ファイバ伝搬中のモーあらましド変換技術、(3) 光渦に重畳した変調方式変換技術をスマートフォンの普及や動画配信サービスの充実、研究してきた。本稿では特に(1)の多重分離技術につい新型コロナウイルスの影響で年々増加する通信データて、課題と解決策について検討した結果を述べる。

量に対応するため、ネットワークには更なる大容量化と柔軟性・高効率性が求められる。この実現技術とし２．研究の背景て光渦がある。本研究は光渦を用いた大容量・高効率・光渦、あるいは軌道角運動量光ビームは光波伝搬の高柔軟な光通信ネットワークの実現を目的とし、本稿物理的性質を用いて光ビームに軌道角運動量（OAM）

では多重分離技術の課題と解決策について検討する。

を持たせた光のことである[1]。

光渦はその特徴的な螺旋位相構造を保つ必要があるが、光送受信機間の光学素子配置誤差や、伝搬空間中の大気の揺らぎが原因で受信光ビームの螺旋位相構造が保たれなくなり、多重分離性能に影響を及ぼすことが考えられる。本研究では光学素子の配置誤差と大気の揺

図１ 軌道角運動量光ビームを特徴づけるらせん状のらぎが多重分離性能にどのように影響を与えるかを評

等位相面価し、その影響を補償する方法を提案する。パイロッ
トビームを用いて誤差の特徴量を抽出し、受信機側で

図 1 に示すように、OAM 光ビームは螺旋状の等位データビームの位相を制御し適応的に補償する手法を相面を持ち、絡み合う螺旋の数で次数 m が決まり、異考案し、計算機シミュレーションで評価した。

なる次数 m の値を持つビームは互いに直交していることが特徴である。したがって、異なる次数 m のビー

１．研究の目的

ムそれぞれに情報を載せて多重化することが可能であ

我が国の通信データ量の状況は、総務省報道資料にり、従来用いられてきた多重化の物理量である直交変よると 2021 年 11 月時点の総ダウンロードデータ量は調、波長、偏光、空間に次ぐ新たな多重化の次元とし前年比 19.3%増の約 23.6 テラビット毎秒と年々増加て期待されている。この新たな多重化を所望の伝送容している。高速光インターネット接続やスマートフォ量に応じて適用することで、大容量化だけでなく高柔ンの普及、動画配信サービスの充実に伴い、また新型

軟、高効率な光通信ネットワークの実現に寄与できる
1

TELECOM FRONTIER No.116 2022 SUMMER

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Research on high-capacity, efficiency, flexible optical communication technologies using optical vortexと期待されている。

せずに角度がずれる角度誤差を定義した。

OAM 光ビームはモード間の直交性を活かした多重

これまでの検討の結果[3,4]、図２(a)に示す位置誤差化が可能である。送信時に多重化した OAM 光ビームは伝搬光ビーム直径のおよそ±20%程度まで許容でき、は、受信機において情報ビットを復号するために多重自由空間光通信で用いられる数 km 程度の伝搬距離で分離する必要がある。高効率な多重分離技術としてモあっても位置調整が十分可能であることを明らかにしードソーティング法が提案されている[2]。モードソー

た。一方図２(b)に示す角度誤差は 1000 分の 5.7 度

ティング法は空間光変調器（Spatial Light Modulator,（100 マイクロラジアン）以内に抑える必要があり、SLM）やレンズ等の光学部品を用いて、多重化した

手動での調整は困難で、自動的に補償する手法を考案

OAM 光ビームに含まれる次数に応じて異なる位置にする必要があることを明らかにした。鉛直方向の角度光を収束させ、その集光位置に応じて含まれる次数を誤差に対する影響評価結果を図３に示す。縦軸にはク判別するものである。複数次数を同時に判別可能であロストーク(XT)をとっており、この値が小さいほうがることに加え、逆方向に伝搬させて使うと多重化が可良く、許容できる XT 値として-3dB を考慮すると、角能であることから、多重・分離の手法として有用であ度誤差は 100 マイクロラジアン以内に抑える必要がある。

ることが分かる。

３．研究の方法
3.1 送受信機の配置誤差の影響評価と適応補償
OAM 光ビームはその特徴的な螺旋位相構造を保つ必要があるが、光送受信機間の光軸がずれていたり、光学素子配置誤差があったりすると、受信光ビームの螺旋位相構造が保たれなくなり、モードソーティングの多重分離性能に影響を及ぼすことが考えられる。本研究では光学素子の配置誤差が多重分離性能にどのように影響を与えるかを評価し、多重分離技術の実現課題を明確化する。加えて、配置誤差を補償する方法を提案する。受信した OAM 光ビームから誤差の特徴量

図３ 角度誤差の影響評価結果を抽出し、それに基づいて受信機側で OAM 光ビームの振幅・位相を制御し適応的に補償する手法を考案し、計算機シミュレーションで評価する。

図４ 角度誤差の適応補償法の構成図
図２ 位置誤差と角度誤差の定義

これらの影響評価の結果、角度誤差の影響が顕著で
図２に示すように、まず配置誤差として送受信機間あるため、適応補償法の考案では角度誤差を対象にすの中心軸がずれる位置誤差と、受信機と入射光が正対2TELECOM FRONTIER No.116 2022 SUMMER

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ることを決定した。角度誤差の適応補償法を検討し、機間の光学素子の配置誤差だけでなく、伝搬空間中のパイロットビームを用いる方法を考案した。図４に適大気の擾乱（揺らぎ）が原因で OAM 光ビームの位相応補償法の構成図を示す。通信データを送る OAM 光分布が乱れて受信信号品質が劣化することも重要な課

ビームとは別に、角度誤差を検知する専用のパイロッ題である[5]。そこで本研究では、大気の揺らぎによるトビームを用いる。通信データ OAM 光ビームとパイ受信信号品質の劣化を補償する方法を検討する。大気

ロットビームを同軸で自由空間伝送することで、両ビの揺らぎは温度分布、風、気圧などの影響で時間・空ームに等しい角度誤差が付与される。受信機でパイロ間に対し確率的な振る舞いをするため、やはり適応的ットビームを分離し、その角度誤差をレンズを用いたに補償する必要があり、受信した OAM 光ビームから空間フーリエ変換を施すことにより検知する。検知し揺らぎの特徴量を抽出し、それに基づいて受信機側でた角度誤差を打ち消すような補正位相を計算し、通信OAM 光ビームの位相を制御し適応的に補償する手法

データ OAM 光ビームにその補償を施すことで、角度を考案し、計算機シミュレーションで評価する。

誤差の影響を抑えることができる。
= −3

補償なし

[ rad]-150-75=0

自由空間伝搬（大気擾乱）

=2OAM
送信機

075

パイロットビーム: X偏光
通信データビーム: Y偏光

150-150 -75075150

補償あり[ rad][ rad]-150 -75075150

適応補償部補償された
通信データ
ビーム
ビーム OAM
空間受信機
光変調器2偏光ビーム
スプリッタ 通信データ

パイロットビーム1/2波長板

補正用位相パターンを投影し補償

空間
光変調器13-1-5-9-13-17

光信号
電気信号波面センサ

位相変動検知・

計算機 補正用位相パターン計算

図６ 大気の揺らぎによる位相変動の適応補償法の構成図[ rad]

図５ 鉛直・水平方向の角度誤差に対するクロストーク

図６に大気の揺らぎに対する適応補償法の構成図を計算結果示す。図４で用いた専用のパイロットビームを用いる手法が適用でき、類似の光学系が使えるため着想に至本手法の有効性を計算機シミュレーションで評価しった。図４と同様に通信データを送る OAM 光ビームた。図５に計算機シミュレーションの結果を示す。補とは別に、大気の揺らぎを検知する専用のパイロット

償なしと補償ありで分け、各図の縦軸が鉛直方向の角ビームを用いる。通信データビームとパイロットビー

度誤差、横軸が水平方向の角度誤差の量を表す。等高ムを同軸で空間伝送することで、両ビームに等しい変線図の色の違いが評価指標であるクロストークを意味動が付与される。受信機でパイロットビームを分離し、し、値が小さいほど(色が青色に近いほど)信号品質劣その位相変動を波面センサを用いて検知する。検知し化が少なく品質が良いことを示す。OAM ビームの次数を m=-3,0,2 の場合で補償の有効性を検証した結果、許容できる 100 マイクロラジアン毎に補償することでた位相変動を打ち消すような補正位相を計算し、通信データビームにその補償を施すことで、大気の揺らぎが原因で生じる位相変動の影響を抑えることができる。

角度誤差に対してクロストークが低減できていること

本手法の有効性を計算機シミュレーションで評価しが分かり、角度誤差の影響を抑えて受信信号品質を高た。大気の揺らぎは Modified von Karman モデルでめることができることを明らかにした。

生成した位相スクリーンを送信ビームに乗算し、その後ビーム伝搬法によるフレネル回折計算を施すことで3.2 大気擾乱による位相変動の影響評価と適応補償自由空間伝搬を模擬した[6]。大気の揺らぎの強さを示

OAM 光ビームを用いた自由空間伝送では、送受信すパラメータに大気構造定数 Cn2 があり、この値が大3TELECOM FRONTIER No.116 2022 SUMMER

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きいほど大気の揺らぎが強く、小さいほど揺らぎが弱3 のパイロットビームが最も良い。これはガウシアンい状況を模擬できる。

ビームで覆うことはできているが、大気の揺らぎの影

大気揺らぎ

補償なし
43(a)

2揺らぎなし中程度の揺らぎ= 10[m ]強い揺らぎ= 10[m ]モードスペクトル強度 [a.u.]10
430(b)

12345643異なる次数のパイロット
ビーム LG0n による補償

ビーム径w0を変えたガウ
シアンビームによる補償

Legend for (d) and (e):LG00 LG01 LG02 LG03
LG04 LG05 LG06

Legend for (f) and (g):LG03,w0=0.02 LG00,w0=0.02
LG00,w0=0.03 LG00,w0=0.04
LG00,w0=0.05 LG00,w0=0.06

4(d)

3222

11

10
4064064

30(c)

123

響が次数 3 の通信データビームと次数 0（ガウシアン）補償あり

4530(e)12345322

2

1

110のパイロットビームで異なるためである。パイロットビームの次数はデータビームの次数と一致させた方が改善効果が高いことが分かった。

(f)

４．将来展望0(g)12345OAM 光ビームを用いた自由空間光通信の適用先と6して、宇宙空間光通信、水中光無線通、室内での光無線 LAN（Li-Fi）、携帯電話基地局やビル間の光無線通00123405 60 10 1 2 3 4 5 6OAM モード次数（受信ビームの方位角次数）23456信、等が考えられる。この中でも特に水中光無線通信

図７ 大気の揺らぎに対する適応補償の有無によるは、海中を含めた沿岸域において、海洋資源の調査、受信信号品質計算結果

海沿岸施設の監視、港湾施設や橋脚・ダムなどの水中構造物の点検等を効率化するため、母船やブイから海図７に、大気の揺らぎに対する適応補償の有無によ中に設置された中継器を経て、多数の自律型無人探査る受信信号品質の計算結果を示す。受信信号品質は、機や遠隔操作型無人探査機と同時に接続して通信を行

送信データビームの次数 3 が正しく判別できているかうものである。通信容量を向上させる技術、および多をモードスペクトル強度で評価した。図７(a)に表すよ数の無人機の同時接続を可能とする技術として光ファうに、大気揺らぎがない場合は、適応補償をしなくてイバ通信で用いられる波長分割多重技術の適用が考えも受信データビームの次数 3 が強く表れており、送信られるが、水中での電磁波の減衰が小さいのは青～緑データビームが正しく受信できていることがわかる。の可視光線波長であり、水の濁度に応じて最適波長が一方、図７(b)や(c)に表すように、中程度および強い大異なるため、波長分割多重技術のようにレーザ光の色気揺らぎの中をデータビームが通過すると、補償なしを変えて通信を行うのは困難であると想定される。その場合は受信データビームの次数は 3 以外にも周辺部

こで OAM 光ビームを用いた OAM 多重によって、水に現れ、判別が困難になり、信号品質が悪くなること

中光無線通信の通信容量の向上と同時接続数の向上ががわかる。適応補償を行うと、図７(d)や(e)に表すよう期待できる。に次数 3 の強度が回復してきており、受信データビームの信号品質が改善することがわかる。パイロットビ

おわりにームの次数をデータビームの次数と一致させた方が改

本研究は光渦を用いた大容量・高効率・高柔軟な光善効果が高い。図７(f)および(g)は、パイロットビーム通信ネットワークの実現を目的とし、多重分離技術のとして次数 0 のガウシアンビームを用いた場合の補償課題と解決策について検討した。光送受信機間の光学結果である。左端の黄色の棒グラフは図７(d)や(e)で最素子配置誤差や、伝搬空間中の大気の揺らぎが原因でも補償効果の高かった、通信データビームと同じ次数受信光ビームの螺旋位相構造が保たれなくなり、多重3 のパイロットビームを用いたものであり、それより分離性能に影響を及ぼす。この影響を評価し適応的に右の棒グラフは次数 0 のガウシアンビームのビーム径補償する方法を提案した。パイロットビームを用いてを変えた場合のものである。ガウシアンビームのビー誤差の特徴量を抽出し、受信機側で OAM 光ビームのム径を変えることで、通信データビームの領域を覆う位相を制御し適応的に補償する手法を考案し、計算機ことができるため、改善効果が高まるのではないかとシミュレーションで評価した。その結果、角度誤差の予想したが、そのようにはならず、結果を見ると次数補償によりクロストークが低減できること、また大気
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Research on high-capacity, efficiency, flexible optical communication technologies using optical vortex[4] N. Sakashita, H. Kishikawa and N. Goto,の揺らぎを補償することで受信信号品質が改善するこ“Influence of lateral displacement and angularとを明らかにした。

deflection on mode sorting for beams carrying
参考文献

orbital angular momentum,” OSA Advanced[1] P. J. Winzer, “Scaling optical fiber networks:

Photonics Congress 2018, No.JTu5A.35, Zurich,challenges and solutions,” Optics and Photonics

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[5] A. E. Willner et al., “Optical communications[2] G. C. G. Berkhout, M. P. J. Lavery, J. Courtial, M.

usingorbital

angularmomentum

beams,”

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light,” Physical Review Letters, vol. 105, no. 15,[6] J. D. Schmidt, Numerical simulation of optical

pp. 153601-1–4, Oct. 2010.

wave propagation with examples in MATLAB,[3] H. Kishikawa, N. Sakashita and N. Goto, “ModeSPIE Press, Bellingham, WA, USA, 2010.

sorting performance for optical beams carrying
orbital angular momentum suffering lateraldisplacement and angular deflection,” Japanese

この研究は、平成３０年度ＳＣＡＴ研究助成の対象とJournal of Applied Physics, Vol.57, No.8S2,して採用され、令和元年度～令和３年度に実施された

08PB01-1-08PB01-5, June 2018.

ものです。

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