テラヘルツ帯ナイキスト WDM 無線通信に関する研究
Research on Nyquist WDM wireless communication in THz-bandkeying: OOK）信号を用いる検討が主に行われていた。
しかしながら、光波帯ほどの広い周波数帯域を持たないTHz帯において、将来、100 Gbit/s超級の実時間通信を実 現する ため には、 処理速 度限界 を持 つ DSP（Digital signal processor）に依存しないキャリア分離手法を開拓して、高周波数利用効率のマルチキャリア通信を実現する必要がある。そこで、ナイキストフ

瀧口 浩一 ( Koichi TAKIGUCHI, Ph. D.)

ィルタによってシンボルレートに等しい帯域に矩形に立命館大学 理工学部 電気電子工学科 教授(Professor, University of Ritsumeikan, Department ofElectrical and Electronic Engineering, College of Scienceand Engineering)

フィルタリングされた複数のキャリア信号を、シンボ

IEEE、OSA、SPIE、電子情報通信学会、応用物理学会
IEE Electronics Letters, Premium Award(1997 年) 電子情報通信学会 エレクトロニクスソサイエティ, 活動功労表彰(2011 年) 電子情報通信学会
エレクトロニクスソサイエティ, 活動功労表彰(2014 年) 電子情報通信学会
論文賞(2019 年)
研究専門分野：光エレクトロニクス、光通信、光波センシング、THz 波フォトニクス

グにより、各キャリア信号の時間幅は広がるが、シンルレート間隔で配置することによって、1 symbol/s/Hzの周波数利用効率を実現できるナイキストWDM通信をTHz帯で開拓することを目標とした。フィルタリン
ク型パルス（他の時間スロットの中心では振幅が必ず0）となるため他パルスに影響を及ぼさない[1]。
THz帯での直接のマルチキャリア分離は困難なため、ナイキストWDM信号を光信号に変換し、光領域でマルチキャリアを実時間分離する光アシスト型処理を開拓し、これによって300 GHz帯において、チャネルああらましたり40 Gsymbol/s程度のナイキストWDM通信を実現

従来の無線通信を凌駕する容量（10 Gbit/s以上）がすることを目指した。光通信との接続用・光通信の可能なテラヘルツ（THz）帯（0.1～10 THz）無線通代替用無線のチャネル、複数チャネルを束ねた無線信は、超高速・大容量の6G（第6世代移動通信システ

チャネルの分離などの高シンボルレート信号の分ム）以降の無線通信システムへの適用が期待されてい離を主な対象とし、細かな単位のチャネル分離や精る。THz帯（0.1～10 THz）無線通信において100 Gbit/s

度が必要な処理に関しては、従来と同様に電気領域

超 級 の 通 信 を 実 現 す る た め 、 ナ イ キ ス ト WDMでの処理を想定した。

（Wavelength division multiplexing：波長多重）通信の実現を目指した。THz帯高速マルチキャリア信号

２．研究の背景のTHz 帯 直 接 での 分 離 は 困 難な た め 、 ナイ キ スト

研究開始前は、THz 帯無線通信の研究開発は、2 値

WDM信号を光信号に変換し、光領域でマルチキャリOOK 信号を用いたシングルキャリアの検討が主であアを実時間分離する独自手法（光アシスト型処理）をった[2]-[4]。しかしながら、この方法では、使用素子開拓した。光アシスト型処理を活用して、300 GHz帯の帯域制限によって 40 Gsymbol/s 程度の通信容量がにおいて、ナイキストWDM通信（2 x 40 Gbit/s）、通限界である。また、THz 帯通信におけるマルチキャリ信容量を適応的に可変可能なチャネル数可変THz帯ナ

ア化の検討に関する検討はまだ少なく、通常の WDMイキストWDM通信（1 x 10 ~ 4 x 10 Gbit/s）を実現し通信[5], [6]、ナイキスト WDM と同じく 1 symbol/s/Hzた。の周波数利用効率を実現可能な OFDM（Orthogonalfrequency division multiplexing、直交周波数分割多１．研究の目的重）通信[7]-[9]などが報告がされていた。

従来の無線通信を凌駕する容量（10 Gbit/s以上）が可能なTHz帯通信は、シングルキャリアの2値（On-off

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Research on Nyquist WDM wireless communication in THz-band

３．研究の方法
３－1．光アシスト型処理

10-4

大容量 THz 帯マルチキャリア信号の THz 帯直接でのチャネル分離は難しく、THz 帯信号をダウンコンバしても、各種素子の帯域制限のため信号帯域よりも中間周波数を十分高くできないため、困難が生じる。そのため、被分離信号を、キャリア周波数を信号帯域よりも十分に大きくでき、高機能な光フィルタを活用できる光波帯に変換して分離処理をおこなう光アシスト型処理の検討を行った。
Optical1549.88 nm fiber 1(100 m)LD2

40 Gbit/s Pulse pattern
7Laser diode PRBS: 2 -1 generator (PPG)(LD) 11552.28 nm Opticalintensity
modulator(IM) 1Optical
Nyquistfilter 1(=0.3)

Erbiumdoped
fiber
amplifier(EDFA) 13 dB
coupler

Optical
Opticalfiber 2(100 m)

THz-wave

ElectricalError
detector(ED)

図1

PD

10-5

Bit error rateージョンした RF（Radio-frequency）帯での処理に関

10-6
10-7

40 Gbit/s
PRBS: 27-1

10-8●: NRZ signal■: Signal after
filter 1▲: Signal at
final stage

10-9

10-10
10-11
10-12-10

UTC-PD-based
photo-mixer-8

0.6 dB

2.0 dB-6-4-20

Received optical power (dBm)

Hornantenna 1
0.1 m
IF signalHorn(carrierfrequency: antenna 230 GHz)
Mixer
OpticalLinearNyquistamplifierfilter 2(=0.3)
EDFA2

THz-wave signal(carrier frequency:300 GHz)
270 GHz
Frequency
multiplier(x 24)
IM2

図2THz 帯ナイキスト TDM 通信の符号誤り率特性

RF signal
generator(11.3 GHz)

LD3 1546.94 nm

実験の結果、図 2 に示すように、40 Gbit/s ナイキス
ト TDM 信号の光領域での受信に成功し（受信信号のTHz 帯ナイキスト TDM 信号を用いた

符号誤り率：10-12）、光アシスト型処理を確立するこ光アシスト型処理の検証実験系とができた[10], [11]。

図 1 に示す実験系を構築し、40 Gbit/s の OOK、ナイキスト Time division multiplexing（TDM）信号を用いて本処理の初期検討を行った[10], [11]。ナイキス
ト光信号の生成、受信にはそれぞれ、実用的なナイキ

３－２．THz 帯ナイキスト WDM 通信
Laserdiode(LD) 140 Gbit/s Pulse pattern
PRBS: 27-1 generator (PPG) 1

1550.00 nm
1552.16
nm

Root raised-cosine
OpticalNyquist opticalintensity
modulator filter 1 ( = 0.3)
(IM) 1

ストフィルタであるルート 2 乗余弦型バルク光ナイキストフィルタ（ロールオフ率*1=0.3）を用いた。超高速フォトミキサ（UTC-PD）[12]を用いたフォトミキ

1552.48nm

アンテナ 1、2 によって信号の送受信を行った。受信信号を局発信号によってヘテロダイン検出した後、中UTC-PD-based
photo-mixer

Erbium-doped
fiber amplifier(EDFA) 13 dB
couplerHornantenna 1
THz-wave signal(center frequency:290 GHz)Horn
antenna 2

0.1 m

IM2
PPG2
40 Gbit/s
PRBS: 27-1
fRF

OpticalFrequency
multiplier 2(x 24)
Signalgenerator 2(14.0 GHz)
335 GHzRF signal (centerfrequency: 45 GHz) Linear
amplifier
CH2
ProgrammableDf
optical filter 2 2f

THz-wave

ED2

Electrical

EDFA3

図3

Mixer 2CH1 Df Df CH2
f
Df

Signalgenerator 1(10.2 GHz)
245 GHzRF signal (centerLinear
frequency: 45 GHz)
amplifier
Programmable1
optical filter 1

Mixer 11547.31 nm

LD4

IM4PD2fT=IfWDM - fLI(290 GHz)

Frequency
multiplier 1(x 24)(45 GHz)
Df
CH1
f0 Df

CH2 Df

シングによって、光ナイキスト TDM 信号から THz 帯
ナイキスト TDM 信号を生成し、利得 27 dBi のホーン

3 dB
couplerf

Df (40 GHz)

LD3

Root raised-cosine
Nyquist opticalfilter 2 ( = 0.3)
LD2

fL

fWDM
CH2 Df Df CH1

Df

CH1
f

Error
detector(ED) 1IM3
3 dB
couplerfRF(45 GHz)Df
CH2f0 Df

CH1 DfEDFA2

Photo-detector(PD) 1

THz 帯ナイキスト WDM 通信の実験系

間周波数帯信号を線型増幅して光強度変調器 IM2（バイアスをヌル点*2 に設定）の駆動信号として用いるこ

図 3 に、光アシスト型処理を活用した THz 帯ナイとによって、THz 帯信号を光信号に変換した。ルート

キスト WDM 通信の実験系を示す[13]。送信側では、2 乗余弦型ナイキスト光フィルタ 2 によって、IM2 でルート 2 乗余弦型バルク光ナイキストフィルタ（ロー生成された 2 側帯波成分のうち 1 つを取り出し評価をルオフ率=0.3）を用いて生成した 2 x 40 Gbit/s 光ナ行った。

イキスト WDM 信号（OOK 信号）を、フォトミキシングによって中心周波数 290 GHz の THz 帯ナイキス

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Research on Nyquist WDM wireless communication in THz-band

ト WDM 信号（2 x 40 Gbit/s）に変換した。使用素子に符号間干渉が生じたこと、チャネル間のクロストーの帯域制限のため、受信信号を 2 分割し、245 GHz、クが誤り率の制限要因と考えられる。

335 GHz の局発信号を用いてヘテロダイン受信を行った。各ミキサの RF 出力信号の中心中間周波数 fRFは 45 GHz となり、チャネル周波数配置が入れ替わる。
ミキサ出力を光強度変調器 IM3, 4 の駆動信号として使用し、各強度変調器の主側帯波成分 f0fL（f0: 光搬

３－３．チャネル数可変 THz 帯ナイキスト WDM 通信
Laser
diode (LD) 1
1552.28nm

1552.36 LD2nm数）のうち低周波成分を液晶空間変調器構成のプログ

1552.44
LD3nm定した。

PPG2 Nyquist filter 2( = 0.41)
CH2
IM2

Erbium-doped fiber 3 dB
UTC-PD-based
amplifier (EDFA) 1 coupler photo-mixer

ElectricalHornantenna 1

fT = fLO - fWDM THz-wave
signalCH1 2 3 4Hornantenna 2f

CH3
3 dB
coupler

PPG4 Nyquist filter 4( = 0.47)
CH4IM4THz-wavefDf (10 GHz)

Nyquist filter 3( = 0.45)
IM3

OpticalfLO

Df Df Df Df

1550.00
LD5
nm

3 dB
3 dB
coupler coupler

fWDM
CH4 3 2 1

Demultiplexedchannel

Df

CH2 1

CH1 2

f0-fRF

f0

Mixer

fLT

fFrequency
multiplier (x 24)

f0+fRF

Linearamplifier

Programmableoptical filter

fErrordetectorfRF = I fT - fLT I

RF signal CH1 2 3 4fIM5

Photo-diodeSignalgenerator

1547.53
LD6 nm0EDFA2

図 5 チャネル数可変 THz 帯ナイキスト
WDM 通信の実験系

10-1

Bit error rate

1552.52 LD4nm

Opticalsignal

CH1PPG3

ラマブル光フィルタ[14]によって抽出し、チャネル分フ率 0.3 の 2 乗余弦形状になるように光フィルタを設Root raised-cosine
optical Nyquist filter 1 ( = 0.41)

10 Gbit/s
Pulse pattern
PRBS: 27-1 Generator (PPG) 1

送波周波数、fL: 低周波数チャネルの中間搬送波周波離を行った。分離チャネルの周波数成分が、ロールオ

Intensity
modulator (IM) 1

図 5 に、光アシスト型処理を活用したチャネル数可

10-240 Gbit/s
PRBS: 27-1

変 THz 帯ナイキスト WDM 通信の実験系の構成を示●: CH1■: CH2波数が 10 GHz ずつ異なる 10 Gbit/s の OOK 光信号をす（4 x 10 Gbit/s 通信の場合を例示）[15]。搬送波周
ルート 2 乗余弦型バルク光ナイキストフィルタ 1~4 を用いてスペクトル整形した後、光ファイバカプラで合波してチャネル数 4 の光ナイキスト WDM 信号を生成10-3した。光ナイキスト信号のチャネル数の切り替えは、
半導体レーザ LD1~4 のオン／オフによって行った。

10-4光ナイキスト信号のフォトミキシングによって THz

10-5帯ナイキスト信号を生成した。また、偶奇チャネル数

10-610-710-8-10の THz 波信号の中心周波数は、それぞれ 300, 295GHz に設定した。無線リンク長は 0.5 m とした。受信-8-6-4-2

02

Received optical power (dBm)
図4THz 帯ナイキスト WDM 通信の符号誤り率特性

図 4 に、THz 帯ナイキスト WDM 通信の符号誤り率特性を示す[13]。光アシスト型処理の活用によって、調査した範囲では世界で初めて、THz 帯ナイキストWDM 通信を実現した。分離 2 チャネルの符号誤り率として 1.2 x 10-5（CH1）、4.8 x 10-7（CH2）が得られ、KP4 誤り訂正限界（2.2 x 10-4）以下の誤り率が得られた。UTC-PD の周波数特性のリプル、分離チャネルの信号を、ミキサを用いてヘテロダイン検波し、RF 帯信号に変換した。使用チャネル数、分離チャネル番号に応じて、局発信号周波数を 255, 265, 325, 335, 340
GHz のいずれかに設定した。中心周波数で定義した中間周波数は、30~45 GHz であった。光強度変調器 IM5の駆動信号として RF 帯信号を用いることによって、信号を再度光領域に変換した。最後に、液晶空間変調器構成のプログラマブル光フィルタを用いて光信号中の所望チャネルスペクトルを抽出し、符号誤り率を評価した。出力スペクトルが 2 乗余弦型形状となるように、光フィルタを設定した。

スペクトルが完全に 2 乗余弦形状にならなかったため

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Research on Nyquist WDM wireless communication in THz-band(a)

Bit error rate

10-4

10-310 Gbit/s
PRBS: 27-1■: CH2

10-5
10-6
10-7

物理的に光ファイバを敷設できない場所での光通信の(b)10-4
Bit error rate

10-3

10-510 Gbit/s
PRBS: 27-1

代替、災害時における光ファイバ断線時の臨時回線構■: CH2▲: CH3築など）の実現に寄与できると考えられる。

10-6

おわりに

10-7THz 帯無線通信において 100 Gbit/s 超級の通信を

10-8
10-9
10-10
10-11-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8Received optical power (dBm)

10-8
10-910-10
10-11-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8
Received optical power (dBm)

実現するため、
ナイキスト WDM 通信の検討を行った。

10-3

10-3

アを実時間分離する光アシスト型処理を実現し、活用(c)

10-5
10-6

10-710 Gbit/s
PRBS: 27-1

10-8 ●: CH1
10-9 ■: CH2
10-10 ▲: CH3
10-11-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8
Received optical power (dBm)

図6することによって、300 GHz 帯において、ナイキスト

10-4
Bit error rate

Bit error rate

10-4(d)

WDM 通信（2 x 40 Gbit/s）、通信容量を適応的に可変

10-5
10-6
10-7THz 帯信号を光信号に変換し、光領域でマルチキャリ

10 Gbit/s
PRBS: 27-1

可能なチャネル数可変 THz 帯ナイキスト WDM 通信●: CH1■: CH2▲: CH3○: CH4（1 x 10 ~ 4 x 10 Gbit/s）を実現した。

10-810-910-10
10-11-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8
Received optical power (dBm)

チャネル数可変 THz 帯ナイキスト WDM 通信の用語解説*1

定めるパラメータで、0 から 1 までの値を取る。ロ

符号誤り率特性ールオフ率が小さいほど理想的な矩形フィルタに近づいていくが、サンプリング点近傍での波形変動

図 6 に、分離受信チャネル信号の符号誤り率特性をが大きくなり、サンプリング点が揺らいだ場合の特示す[15]。(a), (b), (c), (d)はそれぞれ、チャネル数 1, 2,3, 4 の信号の測定結果である。
チャネル数 1~3 の場合、
全分離チャネルにおいて、誤り率が 10-9 オーダ以下であった。チャネル数 4 の場合には、最大誤り率が 1.7 x10-6 となった。全分離チャネルにおいて、KP4 誤り訂正限界（2.2 x 10-4）以下の誤り率が得られた。チャネ
ル数の増加に伴ってパワーペナルティを含めた特性が劣化したのは、主に光強度変調器 IM5 の非線形特性によって生じるチャネル間クロストークのためである。
４．将来展望今後は、光アシスト型処理における光フィルタの小型・低消費電力・安定化に向け、集積光技術の適用が必要である。THz帯通信の一層の大容量化のためには、多値変調信号の使用はもちろんのこと、今回検討を行った高周波利用効率のチャネル多重化の他に、モード分割多重技術の活用、さらに多くの帯域を利用できる搬送波周波数の高周波数化などが重要になる。
本研究の成果は、光ファイバを敷設できず、移動通信が必要な場所での超高速・大容量通信（中継会場、2 乗余弦型バルク光ナイキストフィルタの形状を性劣化が大きくなる。
*2

強度変調器の出力が 0 となるバイアス点で、この近傍では、入力電圧に対して出力光電界が良好な線形性を示す。

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Research on Nyquist WDM wireless communication in THz-band

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