NTTデバイスイノベーションセンタ・NTT先端集積デバイス研究所

小木曽義弘 特別研究員
毎秒1テラビットの長距離光伝送を実現する「超高速マッハツェンダ型光変調器」の研究
IoT（Internet of Things）の普及や5G（第 5 世代移動通信システム）サービスの開始などに伴い，これらを支える光通信ネットワークにはより一層の高速化が求められています．今回は，光ファイバ通信の末端部分を担い，高速化にも大きく寄与する「マッハツェンダ型光変調器」の研究に取り組む小木曽義弘特別研究員にお話を伺いました．
◆PROFILE：2010年日本電信電話株式会社入社．NTTフォトニクス研究所（当時）配属．
2014年組織改編に伴いNTTデバイスイノベーションセンタに配属．2021年 7 月よりNTT
先端集積デバイス研究所兼務（工学博士）．大学での研究以降，現在まで一貫して「光変調器」の研究開発に取り組んでいる．

するものを置くことで光を消す方式で，電界吸収型光変調器と呼電気信号を光信号へと変換する「光変調器」ばれています．
そして最後が「マッハツェンダ型光変調器」です．マッハツェンダ型光変調器は，図のように分岐点で光を2つに分け，再び合◆「光変調器」とはどのような働きを持つものなのでしょうか．

流させるような構造をしています．光は波としての性質を持っ「懐中電灯を点けたり消したりすることで崖の上から船に向ていますから，図の上図のようにそのまま合流されると，上下かってモールス信号を送る」シーンを思い浮かべると「光通信」の光の位相（波の山，谷の位置）が同じなので波の山と山とがはイメージしやすいでしょう．懐中電灯を点けているときを「1」，重なり合って点灯します．対して，下図のように電気によって消しているときを「0」とすればデジタル信号を送ることが可能

途中の屈折率を変化させて光の速度を変化させ，光の位相を反というわけです．もちろんそれだけですと信号は地球の反対側ま対にすると，波の山と谷とが打ち消し合って光は消灯します．

では届きませんので，実際には光ファイバを使ってその内部に光波の干渉により光（エネルギー）は放射され，消えて見えなく信号を通すことで，光通信を実現しています．

なるというわけです．

一方，皆さんが普段お使いのPCやスマートフォンは電気で動直接変調型や電界吸収型では有限の速度で移動する電子等のいており，内部では電気信号が利用されています．そのため，そキャリアを考慮しなければならないのに対し，マッハツェンダ型

れらのデータを光通信により送信するには，どこかで電気信号をではキャリア移動の影響が少ない電界，電場を主に利用していま光信号に変換しなければいけません．それを行うのが「光変調器」

すので，高速な信号にも対応できるという利点があります．

です．かなりニッチな領域かと思いますが，光ファイバ通信のコ◆光変調器に求められる性能は何でしょうか．

アとなる重要な光デバイスといえます．
◆研究されている「マッハツェンダ型光変調器」とはどのようなものなのでしょうか．

高い電気信号をいかに劣化させずに光信号に変換するかが重要な

先ほど懐中電灯を点けたり消したりして信号を送る，というポイントとなります．

お話をしましたが，光変調器の原理はまさにそれです．

そういった中で，光変調器には3つの性能が必要とされていま一番シンプルな方式は，光の出どころであるレーザ発光素子

す．1番目は微弱な電気信号に対していかに感度良く光が反応すのスイッチをオン ・ オフする方法です．この方式は直接変調型とるか，という「低電圧駆動」です．2番目の「広帯域」も同じく呼ばれ，もっともコストが安いことから，家庭用の光回線の終端

感度にかかわる性能ですが，点灯 ・ 消灯という動作を高速で行っ装置（ONU）などにも使用されています．ても高い感度をどこまで維持できるか，の指標です．

もう1つはレーザを連続的に射出しておいて，途中に光を吸収

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光変調器でもっとも重要な指標はSN比（Signal to Noiseratio：信号対雑音比）です．SN比の高い，つまりクオリティの2022.1

そして3番目は「低光挿入損失」です．光変調器から出てくる光（エネルギ）は放射される波の干渉で，光が消えて見える（入力）電気によって屈折率を変化させると光の速度が変化する⇒上下の光の位相が同じならば，光は点灯．
上下の光の位相が反対ならば，光は消灯（干渉して見えなくなる）．

図 「マッハツェンダ型光変調器」の原理

光の幅はそのまま信号の強度に対応します．いくら感度が良くても全体の出力が落ちてしまえばSN比も落ちてしまいますから，「1波長当り毎秒1テラビット」の長距離伝送を実現

いかに損失を生じさせないかというファクタが必要となるわけです．
これら3つはトレードオフの関係にあり，全体を広げることが企業の競争力となります．

◆2019年には世界初となる1波長当り毎秒1テラビットの長距離伝送実験の成功が報じられました．

私は大学で，当時主流だったLiNbO3（ニオブ酸リチウム）を高速化にはさまざまな要素が必要となります．私は高速な電材料とする光変調器の研究をしていましたが，NTT入社後は主気信号を高速な光信号に変換する部分を受け持ちましたが，高速に低駆動電圧性および広帯域性に優れ，小型化が可能な半導体のな電気信号をつくり出す部分はNTT先端集積デバイス研究所が，材料であるInP（リン化インジウム）を使用した光変調器の研究

送信先で劣化した信号を復元させる処理の部分はNTT未来ねっに従事しています．と研究所が担当しました．NTT総動員でこの1テラビットを達成したという感じです．
光変調器の部分に限っていうと，高速化の方法は3通りあります．
1番目は単純に光の点灯 ・ 消灯のスピードを上げる「高シンボルレート化」です．

2022.16₅

2番目は「高次多値化」です．光の点灯 ・ 消灯だけだと1ビットの情報しか送れませんが，例えば明るさを0，0.25，0.5，るまでには困難な課題が数多く存在する状態を指して，「死の谷」という言葉がよく使われます．

0.75，1のように境界を区切れば「00001」「10011」のよ

例えば，InPの加工は困難な課題の1つです．マッハツェンダ

うな信号を送ることができるという原理です．また，現在は光の型光変調器の光が通る道をつくるためにInPを削ると，InPはイ

明るさや強度だけでなく，光の波としての位相も区切ることによンジウムとリンの原子が密集して交互に存在する材料であるたり，1度に6ビット，8ビットの信号を送るQAM（Quadrature

め，表面がなかなかきれいになりません．リンの原子がぽろっとAmplitude Modulation：直角位相振幅変調）も開発されてい抜け出てしまい，その部分はインジウム，つまり金属が豊富な壁ます．となってしまいます．そこに別の金属が接近すると電気（電界）そして3番目は「多重化」です．光には「多重波長」という性質があり，色の違う光を混ぜて送信しても受信先で再び色別にほを吸収してしまい，電気信号が通らなくなるという不具合が発生します．

どくことができます．つまり色の違う光をつくってそれぞれに光

そこで，削る際のダメージをいかに減らすか，どういうふう信号を乗せ，1本のファイバで送信すれば色の種類分だけ多くのにケアをして自分が思い描いたとおりのかたちにするかというノ信号を送れるわけです．

ウハウ，いうなれば「職人気質」が必要となります．とはいえ職これらのうち高次多値化と高シンボルレート化の掛け算によ

人にしかつくれないというのでは売り物にはなりませんので，現り高速化を達成し，私がつくった光変調器は現時点でも世界最高

在は外部に出しても同じような特性を持った光変調器を大量生産

速の記録を持っています．

できるよう，さまざまなノウハウを工程表に落とし込んだマージ

もともと光変調器の高速化は頭打ちの状態でボトルネック化

ンの広い設計書，仕様書の作成に取り組んでいます．その他生産していましたので，この部分の最先端技術を私たちが保有していラインなども検討し，最終的には数年以内での実用化をめざしてることは大きな強みであるといえます．

います．

◆実用化の見込みについて教えてください．

◆本技術により，どのようなことが可能となるのでしょうか．

現在，通信分野に対する需要はとても高く，競争はかなり激

直接的には5Gサービスのハイパフォーマンス化，さらに高容しい状態にあります．そのため，最先端の研究がほぼ実開発レベ量の6Gサービスへの応用などが可能となります．動画配信のルにある，ということがこの分野の特徴です．

データ転送や，データセンタ間での通信などへの応用はかなり有特に私の所属するNTTデバイスイノベーションセンタは実用効でしょう．また，電波を受信して光通信で遠隔地に送信し，再化できる研究に注力しています．アイデアを出すだけではなく，び電波を送信するRadio over Fiber（RoF：光ファイバ無線）

いかにモノにできる技術を提案し立ち上げるか，いかにスピード技術への応用なども期待できます．

感を持って量産するところまで到達させるかが自分の使命だと考さらに光変調器自体の通信以外の分野への応用も考えられます．実は，電気信号を光信号に変換するという場面はいろいろなえています．
研究ではうまくいくものの，開発フェーズに入って実用化す

所に存在しており，センシングの分野では，光変調器は光周波数コム（光の周波数成分のスペクトルが等間隔で並んだもので計測等に用いられる）の生成やガスセンシングなどに利用されていますし，電波天文台では遠く離れた天体の観測データを処理する際に光変調器が使われています．
逆に光を電気に変換する場面もあります．例えば自動車の車載センサでは，レーザで感知した情報を電気信号に変えてディスプレイなどに表示させています．
「電気信号を高速でクオリティの高い光信号に変換したい」というニーズは，探れば他にもたくさんあるのではないでしょうか．
私はずっと「通信」という分野にかかわる研究 ・ 開発をしていますが，別の分野にも活用されるような技術を開発できたら面白いなと思っています．

（今回はリモートにてインタビューを実施しました）66

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