光反応性高分子液晶を用いた偏光渦モード検出素子の開発
Development of polarization vortex mode detection element using photoreactive polymer liquid crystal

量化が必須の課題となっているものの、波長・振幅・位相・時間などの既存の多重方式では原理上その容量の上限が頭打ちとなっている。この問題を克服し、次世代の通信技術を実現するべく、モード分割多重方式
MDM が近年注目を集めている（図１）。MDM は光の横モードを新たなパラメータとして光多重通信に利用するというものであり、主に光渦や偏光渦と呼ばれる位相坂本 盛嗣 ( Moritsugu SAKAMOTO, Ph. D.)

又は偏光の空間モードを利用する研究が国内外の研究

長岡技術科学大学技学研究院電気電子情報系 准教授

者によって勢力的に行われている。これらの光波が取(Associate Professor, Department of Electrical Engineering,Nagaoka University of Technology)

り得るモードの数には上限が無い為、原理上は無限に伝送容量を上げられることが注目されている所以であ

応用物理学会 日本光学会 レーザー学会 日本液晶学会 OPTICA
SPIE
受賞：コニカミノルタ画像科学奨励賞（優秀賞） (2017 年). 第 52 回応用物理学会北海道支部学術講演会発表奨励賞 ( 2017 年) 9th OPTICS &PHOTONICS JAPAN Best Presentation Award (2013 年)
著書：K. Kawai, M. Sakamoto, K. Noda, T. Sasaki, N. Kawatsuki, H. Ono,
“One-Step Holographic Photoalignment for Twisted Nematic Liquid
Crystal Gratings,” INTECH (2017 年)
研究専門分野：偏光光学 特異光学 応用光学 液晶フォトニクス

る。特に偏光渦は、同一のモード次数間に２つの直交する状態（２直交状態）が縮退する為、光渦に比べて伝送容量が倍になるという利点を持つ。さらに、偏光渦は既存の光ファイバの導波モードに対応するため光渦に比べて既存ファイバ内での安定伝送の面でも有利であり、２モードの有線通信（2km 伝送）の実証例がごく最近報告される等その有用性が示されつつあり[1]、光渦に比べて MDM 方式では後発であるものの近年注目され始めている。

あらまし

偏光渦多重通信方式の実用化には、特に偏光渦のモ次世代の光通信技術として現行の通信容量を飛躍的ード分離・検出技術が必要不可欠である。その中で近に向上させることが期待されている偏光渦のモード多年、Milione らはフィルタリング素子を利用して特定重通信の実用化には、偏光渦の多重化情報を分離・検のモードを抽出する方式を[2]、Zheng らは幾何学的変出する工程が必要不可欠である。本研究計画では、こ換素子を用いてモード毎に空間的に異なる位置に集光れまでに申請者らが開発した液晶偏光ホログラムによする方式を[3]それぞれ提案している。しかし、前者のる偏光渦モード分離法の原理を拡張し、偏光渦の次数方式は既存のフィルタリング素子では特定次数の偏光及び２直交状態を含む完全なモード分離素子の実現を渦のみにしか対応できず、単一素子では検出可能なモ目指すことを目的としている。提案素子は小型且つ多ード数が２つ迄に制約される。後者の方式では２重回モード入力に対応可能であり、光干渉計と等価な機能折結像系を不可欠とする為、光学系が大型化するといを持ちながら極めて安定な光干渉信号を得ることがでう難点を持っていた。モードのフィルタリング機能をきるという特徴を持つ。さらに提案素子を用いた偏光単一素子に集積化することができれば、これらの要素渦モードスペクトルメータを試作した。偏光渦多重通を両立した光学系を構築することが可能となり、偏光信の実現に向けて、ファイバ中を伝播する偏光渦の特渦多重通信方式のモード分離・検出工程の本命技術が性解析及び有線通信の実証実験を行い、提案方式の偏確立されると期待できる。

光渦多重通信方式の要素技術としての確立を目指した。

上記の背景の下、本研究計画では、光架橋性高分子液晶への偏光ホログラムの多重記録という切り口から、１．研究の背景と目的複数種の偏光渦のモードフィルタリング機能を集積化5.0 社会への突入に向けて IoT 関連の技術開発の重した素子を新規に開発するとともに、偏光渦多重の有要性が増す中、情報伝達手段である光多重通信の大容線通信へと展開する事を目的とする。光架橋性高分子
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液晶は申請者らの所属する研究グループ独自の液晶光した。

配向膜であり、複数種の偏光ホログラムを多重記録す【１】偏光ホログラム多重記録にもとづく偏光渦モーると、それぞれのホログラムが独立に動作する素子をド分離素子の形成形成できるという性質を持つ[4]。このため、光架橋性【２】２種の偏光ホログラム多重記録素子の一体化に高分子液晶の性質と偏光渦伝搬制御機能を示す偏光ホよる偏光渦モード完全分離の実証

ログラムとを有機的に組み合わせれば、小型且つ多モ【３】多重偏光ホログラム一体化素子の検出可能モーード対応の偏光渦分離素子を実現できると期待できる。

ド数向上のための理論設計

この研究着想の下、以下の３項目について研究を実施

以降、上記３項目について詳細を述べる。

図１ 次世代光多重通信に向けた偏光渦多重方式の位置付け。偏光渦の偏光次数ごとの偏光パターンの概略図。光渦多重方式の実現に必要な３工程と、本研究で開発を目指す多重偏光ホログラムを用いた偏光渦モード検出法。
２．偏光ホログラム多重記録にもとづく偏光渦モード子で多モード入力に対応した偏光渦のモード検出素子検出素子の形成を形成した[6]。ガウシアン光が発生した回折スポット

まず初めに、光反応性高分子液晶への偏光ホログラの位置から、モード分離素子に入射する光に含まれるムの多重記録という切り口から、複数種の偏光渦モー偏光渦成分の偏光次数を同定することができる。作製

ドの分離・検出機能を単一素子に集約化したデバイス

したモード分離素子の偏光顕微鏡写真とレーザー光をの開発を試みた（図２）。光反応性高分子液晶は共同研透過させた際の回折像を同じく図２に示す。準結晶と究者の小野浩司教授と川月喜弘教授が液晶デバイス応酷似した複雑な液晶配向分布が形成されていることが用で長年研究してきた独自の光配向材料であり[5]、複分かる。また、多重偏光ホログラムの格子ベクトル方数種の偏光ホログラムを多重記録すると、それぞれの向に対して、８つの回折像が発生していることが確認

偏光ホログラムが独立に動作する素子を形成できる機できる。この多重偏光ホログラムを用いて、異なる偏能を持つ[4]。この機能を活用し、図３に示すように、光次数を持つ４種類の偏光渦のモード検出を行った。

光架橋性高分子液晶に対して「特定の偏光渦をガウシ結果を図２左下部に示す。回折スポット毎に異なる偏アン光へ逆変換しながら回折させる機能を持つ多重偏光渦モードのシグナルが強く表れていること分かる。

光ホログラム」を複数種多重記録することで、単一素この実験結果から、開発したモード分離素子により、2TELECOM FRONTIER No.122 2024 WINTER

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異なる偏光次数を持つ偏光渦を同時に検出できることを明らかにした。

図２ 光架橋性高分子液晶への偏光ホログラムの角度多重記録による偏光渦モード分離素子の形成。偏光渦モード分離素子の偏光顕微鏡写真と回折像。モード分離素子を用いた偏光渦モード検出の実証実験結果。

３．２種の偏光ホログラム多重記録素子の一体化によな効果を実現することに成功した[7,8]。

る偏光渦モード完全検出の実証

２種多重偏光ホログラム一体化素子の原理はやや難

第２節の成果から、多重偏光ホログラムにより、小解であるため、紙面の都合上詳細は筆者らの論文に譲型且つ多モード対応可能な偏光渦モード検出素子を実ることとし、ここでは本原理の特徴についてまとめる。

現することに成功したが、この多重偏光ホログラムにまず、本原理では２種の偏光ホログラムを貼り合わせは同一次数の偏光渦に存在する２直交状態を区別できることで、光干渉計部の伝播長を零にする事が可能でないという課題が残存している（図４）。偏光渦の２直あり、光干渉計でありながら光学系のサイズが素子厚交状態を区別するには、偏光渦を構成する左右円偏光を含めて数ミリ程度で、且つ外乱に対して極めて安定成分間の位相差を計測する必要があり、これには上記な干渉信号を得ることが出来る。この外乱に対する安分離素子に加えて付加的な干渉計が必要不可欠である。

定性は、社会実装を目指す上で大変重要な要素である。

そこで、多重偏光ホログラムを用いた偏光渦モード検また、単体の多重偏光ホログラムでは±１次回折光で出の原理を拡張し、複数種の偏光次数と２直交状態を検出される偏光次数に区別が無く、４つの格子ベクト含む完全な偏光渦モード検出素子を単一素子で実現すル（８つの回折スポットが現れる）を持つ多重偏光ホることを試みた。その結果、図５に示すように、互いログラムで検出可能な偏光渦モード数は４に制約されに異なる光回折特性を示す２種の偏光ホログラムを張ていたが、２種多重偏光ホログラム一体化素子では、り合わせた素子（２種多重偏光ホログラム一体化素子）±１次光は同一の偏光次数間に存在する２直交モードにより、素子間の光回折伝搬を有機的に融合させるこの区別に割り当てられるため、検出可能な偏光渦モーとで、２枚の多重偏光ホログラム間で光干渉計と等価ド数は単体のものと比べて２倍に増加する。これも、3TELECOM FRONTIER No.122 2024 WINTER

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情報の伝送容量を増やすことを志向する光多重通信に偏光渦多重状態の検出が可能な偏光ホログラムを実現おいて大変有益な特徴である。

できることを示すことに成功した。

実際に２種多重偏光ホログラム一体化素子を作製し、４種の偏光渦モードの検出が可能な２種一体化偏光原理の有効性を検証した。図３は、作製した２種の多ホログラム素子を用いて、簡易的に偏光渦モードスペ重偏光ホログラムそれぞれの偏光顕微鏡写真と実験光クトル計測装置を試作した。図５は試作した偏光渦モ学系、偏光渦モード検出の実証実験結果である。多重ードスペクトル計測装置の外観写真である。図５に示偏光ホログラムは波長 1550nm で所望の回折効率が得した波長 1550nm 用の２種多重偏光ホログラム一体化られるように作製した。光源に波長 1550nm の半導体素子を用いており、モード分離素子で空間的に分離さレーザーを用い、q-plate と呼ばれる特殊な光学素子れた 4 つの回折光を、微動ホルダーにマウントされたを用いて偏光渦を発生させた上で、偏光渦モード検出4 つのシングルモードファイバに結合させる形態を取の実験を行った。図３右部に実験結果を示す。図２のっている。4 つのシングルモードファイバを、マルチ数値計算と同様の回折特性が得られていることが分か

チャンネル光パワーメータに接続し、同時に 4 つのモる。この結果から、多重偏光ホログラムにより偏光次ード検出信号を測定できるようにした。現在は装置構数と２直交状態を含む完全な偏光渦モード検出が可能成を組み上げる段階の留まっており、実際の動作実証であることを実証できた。には至っていない。これについても今後継続して開発を進めて行く。

４．多重偏光ホログラム一体化素子の検出可能モード数向上のための理論設計

５．将来展望光多重通信への応用を指向するにあたり、さらなる１６モードの偏光渦を同時に分離可能な偏光ホログ検出可能モード数の拡大は必須の課題である。続けて、ラムについて、現時点で実証実験には至っていないが、４種類を超える偏光渦モードを同時分離する２種多重既に偏光ホログラムの作製光学系の改良に着手してお偏光ホログラム一体化素子を理論的に設計した。本設り、今後設計した素子の 1550nm 用での試作を目指す。

計では、２種多重偏光ホログラムに要求される位相パ被測定光に含まれる偏光渦モードの割合を計測するターンの理論式を独自に導出し、その理論式に基づいための偏光渦モードスペクトル計測装置について試作て設計した[9,10]。図４は偏光次数が±1、±2、±3、したが、現時点では装置構成を組み上げる段階の留ま±4 の計１６モード検出を可能とする２種多重偏光ホっており、実際の動作実証には至っていない。偏光渦ログラムの液晶配向分布を示したものである。図３のモードが多重化された状態を生成するための光学系の４モード対応の多重偏光ホログラムとは異なるパター構築も現在平行して進めており、そちらの光学系とのンを有していることが分かる。図４の液晶配向分布を組み合わせにより、偏光渦モードの多重様態の伝送実持つ２種多重偏光ホログラム一体化素子に偏光次数１験へと展開していくことを計画している。無線通信・の偏光渦を入射した際の回折光の数値シミュレーショ有線通信の双方において、大気揺らぎやファイバ内のン結果を図４右部に示す。等しい半径距離に１６個のひずみ等の影響が偏光渦の多重状態の伝送特性にどの回折スポットが生じており、ある一か所のみにガウシような影響を与えるのかについても併せて調査したい。

アン光が発生していることが確認できる。このことか

これらの研究を進めることで、将来的に偏光渦の多重ら、２種多重偏光ホログラム一体化素子の設計に必要通信を実用化に貢献したいと考えている。

な理論式の導出に成功するとともに、より多モードの4TELECOM FRONTIER No.122 2024 WINTER

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図３ 偏光渦の同一次数に存在する２直交状態と、その識別における課題。２種多重偏光ホログラム一体化素子による２直交状態を含む偏光渦モード完全検出の概念図と数値計算による動作確認

図４ ２種多重偏光ホログラム一体化素子を用いた偏光渦モード完全検出の実証実験

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図４

１６モードの偏光渦を検出可能な２種の多重偏光ホログラムの液晶配向分布。設計した２種多重偏光ホログ
ラム一体化素子の回折特性（数値計算）

図５ 偏光渦多重通信応用を目指した、偏光渦モードスペクトル計測装置の概略図と、試作装置の外観写真

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おわりに

参考文献

今回の研究において、２直交状態を含む複数の偏光[1] J. Liu et al, Light: Sci. Appl. 7, 17148 (2018).

渦モードの同時検出が可能な２種多重偏光ホログラム[2] G. Milione et al., Opt. Lett. 40, 1980 (2015).

一体化素子を提案するとともに、４モードの偏光渦の[3] S. Zheng et al., Photonics Res. 6, 385 (2018).

検出についてその原理の有効性を示すことに成功した。

[4] H. Ono et al., Thin Solod Films 516, 4178 (2008).

今後の方針としては、まずは４モードの偏光渦を検出[5] N. Kawatsuki, K. Goto, T. Kawakami, and T.

可能な装置を試作する。これに成功したら、偏光渦のYamamoto, Macromolecules 35, 706 (2002).

自遊空間中及び導波路中の伝送実験と、その際のモー[6] M. Sakamoto et al., Appl. Phys. Lett. 115, 061104(2019).

ド検出実験へと展開する。通信用途に限らず、現在我々[7] M. Sakamoto et al., Proc. SPIE 11472, 114720Qが研究を進めている、偏光渦を用いたファイバセンシ(2020).

ング技術への適用も検討したい。さらに、今回設計し[8] M. Sakamoto et al., Optics Express 29, 27071-

た１６モードの偏光渦検出素子を試作し、偏光渦モー

27083 (2021).

ド検出装置の更なる高性能化に挑戦することを予定し[9] 掛戸優志 et al., 第 82 回応用物理学会秋季学術講ている。今回の研究成果とその将来展望の実現により、演会, 12a-N107-2, オンライン(2021.9.12).

偏光渦を用いた光多重通信やファイバセンシング技術[10] 掛戸優志 et al., 第 83 回応用物理学会秋季学術の実現に至れるよう継続して努力して参りたい。

講演会, 20a-A202-7, 仙台(2022.9.20).
用語解説

この研究は、令和元年度ＳＣＡＴ研究助成の対象とし*1 偏光渦：ビームの断面内に偏光の空間分布を有すて採用され、令和２～４年度に実施されたものです。

る特殊な光ビームを指す。ビーム断面内で一様な偏光分布を有する通常の光ビームに対して、集光特性等で特異な性質を示すことで注目されている。
*2 モード多重通信：互いに直交関係を満たす光の伝播モードを多重化することで、一度に伝送できる情報量を増やす通信方式。その他の多重通信方式に波長多重・偏光多重が挙げられる。
*3 モードスペクトル：１つのビーム中に光の各伝播モードがそれぞれどれだけの割合で含まれているかを分析したもの。光モードの純度評価や、モード多重通信での情報のデコードに必要な情報となる。
*4 偏光ホログラム：光学異方性が空間的に且つ周期的に変調された光学素子。通常のホログラムに比べて回折特性に強い偏光依存性を示す。異方性の空間分布に応じて、偏光渦などの偏光空間分布を有する光波を発生できる。

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