極限的空間利用を目指した集積光モードスイッチの研究開発
Integrated Optical Mode Switch toward Ultimate Space Exploitationの展望などについて議論を進めていく。
２．光の空間モードと光モードスイッチとは？
では、ここで言う“光の空間モード”、そして”光モードスイッチ”とはいったい何なのか？実現できると、何がうれしいのか？まずは、基本概念の話を進めさせて頂く。

浜本 貴一 (Kiichi HAMAMOTO, Dｒ. Sc. Techn.)(1) 光の空間モードとは何なのか

九州大学 大学院総合理工学研究院 教授

情報通信の観点から光で使える資源として見ると、(Professor, Interdisciplinary Graduate School of Engineering
Sciences, Kyushu University)1) 振幅、2) 波長、3) 位相、4) 偏波、が挙げられる。
例えば光の波長であれば、異なる波長それぞれに対しOptica（旧 OSA）, IEEE, 電子情報通信学会、応用物理学会
受賞：MOC Contribution Award 賞 (2019 年)
著書：Active Multi-Mode-Interferometer Laser Diodes and Semiconductor OpticalAmplifiers, Hartung-Gorre Verlag 出版 (2000 年)
研究専門分野：光エレクトロニクスて異なる信号を乗せたうえで束ね（合波）、一本の光ファイバを通して送ることで、通信容量（一度にどれだけの情報量を送受信できるか、という目安に相当する）を増大させることができる。受信側では波長ごとあらましに光を分解（分波）できるため、あたかも複数のファ光の空間モードを自由に交換することのできる光イバで信号を送ったかのように多くの情報量を受信すモードスイッチの研究開発を行っている。システム実ることが可能になるわけである。光通信技術は、この証を進めるため、光モードスイッチと多芯光ファイバ

例に示されるように光の資源を活用し、可能な限り多とを結合させるための 3 次元導波路技術について検討

くの情報量を送るよう研究開発が進められてきた。そを進めた。その結果、機械学習を取り入れることによして、光の最後の資源と言わるのが“空間”である。

り、自動で光導波路を認識しながら 3 次元導波路を製

更に空間の多重化技術として大別すると 1) 多芯コア造することが可能であることを明らかにしたので報告による空間多重化、2) 空間モードによる空間多重化、する。の 2 種類がある。多芯コアによる多重化とは、ファイバ 1 本内に従来はコアが 1 本だったところを複数本の１．イントロダクション

コアにより多重化する技術で、光ファイバ製造技術のBeyond 5G を見据え、情報通信ネットワークを支え高度化が特に重要である。そして、本稿で説明する研る光ファイバの伝送容量増大のための研究開発が活発究に深くかかわるのが、空間モードの多重化技術であ化している。その重要技術である空間多重伝送技術は、る。一般に光の”形”のイメージと言えば、中心が明飛躍的に伝送容量を増大させる技術として期待され、るく、脇に向かって暗くなっていく、というイメージ海底ケーブル網等への実装が進められようとしている。

ではないかと思われる。この光の“形”、すなわち“空一方で、情報通信量の増大の主要発生個所は、データ間モード”のことは基本（もしくは 0 次）モードと呼センターであることも報告されており、比較的近距離ばれる（図 1(a)参照）。これまで広く実用化されてきたの情報通信網への空間多重技術の適用も検討されるよ

光通信システムにはこの基本モードを使うことで発展うになってきている。このデータセンターなどを想定してきている。しかし理論的には、空間モードには基し、これまでに空間モードを自由に交換することので本モード以外のモードも存在することが分かっている。

きる光モードスイッチを世界に先駆けて提案している

例えば中心が暗く、その両脇が明るい、というモード[1]。本稿ではあまり馴染みのない方にもご理解頂けるは 1 次モード（図 1(b)参照）と呼ばれ、理論的には定よう、少し技術解説的な説明を 2 章にて議論させて頂在波として存在し得る。光の波長（注：可視光域ではく。その後、これまで得られてきた成果、更には今後色に相当する）が同一であっても、モードが違えばそ1

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れぞれの光を区別できるため、通信信号を多重化することができる。結果として、通信容量増大につながる、ということから、光の最後の資源として昨今研究開発が活発化している。
Switch

(a)

(a)

(b)

図 1. 光の空間モード

Converter(a) 基本（0 次）モード、(b) 1 次モード(b)
図 2. 交換と変換の違い（伝送路途上に挿入した場合）(2) 光モードスイッチとは何か(a) 交換、(b) 変換

前述の光の空間モードは理論上の話であって、基本モード以外の空間モードを作り出すことはそう簡単と(3) 光モードスイッチのメリットは言えない。現時点では、光の空間モードを自由に作り出す光デバイス技術としは発展途上の段階にあると考えている。なお、これまでに発表されている空間モー

B: mode 0

ド多重伝送システム実証は、パッシブデバイスを用いて異なる空間モードを作り出したものを多重化した発×表が殆どである。
瞬間的に、かつ自由に、所望の空間モードへの“入れ替え”が可能にならないのか？この機能を具体化し

C: mode 1

A: mode 3

たものが光モードスイッチである[1]。なお我々が提案している光モードスイッチは、“スイッチ”と呼んでおり、モード変換器とは少し異なる。あるモードを、所望の別のモードに“変換”するだけの機能に加え、同D: mode 2

時に複数のモードがデバイスに入った際に、それぞれ

図 3. リングネットワークとモードアド・ドロップのモードを入れ替えることが可能なデバイスで、モードを“交換”する機能を持っている。このことを図 2の模式図で説明する。例えば、単に一つのモードを別では、“交換”ができると何がうれしいのか？ここでのモードに変換するモード変換機能だけのデバイスを情報ネットワーク構成として、リングネットワークを伝送路に入れてしまうと（図 2(b)）
、既に変換後のモー考える（図 3 参照）。ある信号が A から B に向かう途

ドと同じモードで伝送している信号があれば干渉して中までは、基本モード（0 次モード）で進んでいるケーしまい、いずれの情報も受信が不可能になる。一方で、スを考える。リングネットワークでは、ある地点で所モードを入れ替える“交換”機能のあるデバイスを伝望の信号を落としたり（ドロップ）、追加したり（アド）、送に入れる場合（図 2(a)）、前述の干渉は起きず、送信という情報信号のやりとりがある。
そして B 地点には、情報は保全される。

モード番号 0 が割り当てられていて、0 次モードの信号であればドロップができる場合を考える。さて、B 地
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点のユーザが所望する情報が 1 次モードで近くまでい10 ns レベルでのモード切替も確認してきている。将来て、また他の情報も並行して 0 次モードで伝送されてこの光モードスイッチを実用化させるためには、以下いたとする。この時このままでは、B 地点のユーザがの課題を解決していく必要がある。

所望した信号とは別の信号をドロップしてしまうこと(1) システム実証になるので、例えば 0 次モード 0 の情報信号と 1 次(2) 更なる高次モード展開

モードの情報信号の“モード”だけを同時に入れ替え

特にデバイスは、基本動作を確認しただけでは、そのれば、つまり”交換”すれば、B 地点で所望の情報信有用性までを広く理解して頂き、普及発展するところ号を受け取ることができることになる。もしモードをにまではなかなか至らない。
“分かりやすく”デバイス“交換”することなく運用しようとすると、伝送モーの有用性 をアピ ールする ためにも 、デバ イスを モドを固定的に運用せざるを得なくなり、ある地点間でジュール化したうえで、システム実証することが重要は使われていないモードがあっても、一定時間の間はである。そのためには、実現した光モードスイッチと、使えないなどの硬直的なネットワーク運用を強いられ伝送路となる光ファイバ（特にここでは多芯ファイバ：ることになり、ネットワーク資源の効率的な運用がでMCF (multi-core fiber)）との接続技術確立が課題である。

きなくなる。言い換えれば、より多くの情報を限られなお、通常の光ファイバは基本モードしか伝送できなたネットワーク資源で送受信するためには、フレキシい。伝送中のモード間クロストーク抑制を視野に入れ、ブルに運用することが重要で、そのためには、“交換”モード保持も期待される MCF の利用が最も有望と考という機能が大事だ、ということになる。

えている。その接続技術の有力候補として、モスキー(4) どんな原理を使うのか？

ト法[4](*2)による複数 3 次元導波路製作技術の検討を

基本的には位相変化を与えることで光の空間モード

こ れ ま で に 進 め て き た 。 CNC （ computer numericalを交換することが可能になる。ここでは最も基本的なcontrol）機器（*3）をベースに改造した導波路形成装

2 モード光スイッチの原理を説明する。入射ポートか置を開発し、導波路コアを形成するシリンジ移動ス

ら入射された 0 次モード光をまず 2 つの光に分岐する。

テージを動作させて 3 次元導波路を複数本形成した。

2 つに分けられえた光はそれぞれ別の平行した伝搬経ステージ移動機構はステッピングモータとボールスク路を伝搬する構成としたうえで、片方には位相をπシリューから構成され、1 µm 以下の分解能で機械的な位フトさせる。具体的には片方の経路の材料屈折率を変置制御が可能な構成とした。機械的な機構改良の検討化（減少）させ、位相をπだけ進ませる。その後再びを重ねた結果、コア形成位置は現時点では横方向で 10合波させると、1 次モード光に変換される。同じ動作µm 程度、垂直方向で 40 µm 程度以内のずれ量である条件で、基本モード光ではなく 1 次モード光を入射しことをこれまでに確認している[5]。しかしながら、また場合は 0 次モード光に変換される。つまり、0 次モーだ必要とする制御範囲（1 µm 程度以内のずれ量）にはドと 1 次モードとが交換される。

達していない。そこで、複数本の導波路を描画する際前記の屈折率変化は、半導体コア層（Si）中に電流に機械的移動量（ステッピングモータ回転数）にのみを流すことで得ることができる（キャリア・プラズマに頼っていたこともずれ量が大きくなる原因の一つと効果）。
電流を流せるように、pn もしくは pin 構造（*1）

考え、ハードウェアだけではなく、ソフトウェア的なを形成する。電流注入以外の屈折率変化機構もあり、検討も並行して進めることとした。具体的には、3 次ヒーターを導波路上に形成し、熱光学効果により屈折元導波路結合の対象となるデバイスの光導波路幅を瞬率を変化させる手法であっても良い。

時に評価できるかどうか機械学習による画像診断の検討を行った。その結果、実際に試作した光導波路とほ３．研究開発状況ぼ同じ値として評価されることを確認した。更には、以上説明してきた光モードスイッチについては、世機械学習による画像認識を用いて、同一画像内の複数界初の基本実証にこれまで成功してきており[2, 3]、数の光導波路を迅速に認識できるかどうかについても検3

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討を進め、通常のデスクトップ PC レベルの CPU で設計が用意となること、モードクロストークが生じあっても 15 ms 以内の認識が可能であることを明らかにくくなる可能性があること、等の特徴がある。
*5 空間モードの高次モード展開を定義する、いわば空にした[6]。

間モードの分類に相当。現在、LP（linearly polarized）
４．将来展望モードによるモード多重伝送が最も多く研究され光モードスイッチ基本動作の発表以降、世界各所かている。LP モードは 2 次元空間モードであり、そら光モードスイッチング及びその関連発表が続いておの伝搬定数差に規則性を見出すことは難しく、高次り、本稿に示した通信ネットワークへの適用以外の応展開を進めていく際、光デバイス設計には課題を有用用途として、機器内光配線を意識したと思われる発している。また厳密には縮退モードを含んでおり、表なども相次いでいる。なお紙面の都合により“更な伝送路におけるモードクロストークが不可避である高次モード展開”[7]に関する検討詳細には触れなることが報告されている。

かった。モード多重数を飛躍的に向上させるデバイス技術はまだ未成熟である。比較的規則性に優れる空間

参考文献

1 次元モード（*4）がモード基底（*5）としても提案さ[1] R. Takakura, et. al., JJAP, 53, 08MB10, 2014

れるようになっており[8]、更なる高次モード展開に関[2] R. Imansyah, et. al., Tech. Dig. MOC, D3, 2015

するデバイス研究としても、今後一層の飛躍が期待さ[3] R. Imansyah, et. al., JJAP, 55, 08RB06, 2016

れる。

[4] K. Soma et. al., JSTQE, 3611310, 2013[5] 松原他、信学会総合大会、B-10-41、2021[6] S. Matsubara, et. al., Tech. Dig. MOC, PD-2, 2021

おわりに[7] J. Zhang, Tech. Dig. OECC, VP101, 2020

光モードスイッチのシステム実証に向けて、そのモジュール化技術、特に MCF との結合のための 3 次元

[8] 浜本貴一, 信学論文, J100-C, 72, 2017

導波路形成技術の検討を進めてきた。今後更に製作導波路の位置精度向上を目指すと共に、画像認識を用いこの研究は、平成２９年度ＳＣＡＴ研究助成の対象とた接続位置認識などによりモジュールを実現し、シスして採用され、平成３０年度～令和２年度に実施されテム実証へと進めていきたい。

たものです。

用語解説*1 半導体に電気を流すための電気的構造。p 型半導体と n 型半導体とを接続させたものが pn 構造、その間に真性半導体を挟んだものが pin 構造。
*2 慶応大学石榑教授らによって提案された 3 次元導波路製造方法。コア、クラッド共にモノマー材料を用い、紫外光照射硬化により導波路を形成する。
*3 コンピュータ制御により自動化された工作機械。
代表例として、CNC フライス、CNC 旋盤、3 次元プリンタなどがある。
*4 空間モードの高次化の方向（展開方向）が、空間的に 1 次元方向に限定されたモード基底のこと。1 次元方向に展開されていることに起因し、各モード間の伝搬定数差に規則性が生じるため、光学デバイス

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