2．超スマート化社会を支える ICT の更なる進化

光の領域と融合する無線通信

2‑12Wireless Communications Merging with Photonics

西村寿彦

佐藤孝憲

小川恭孝

大鐘武雄

ミリ波帯の無線通信は 5G や WiGig などで既に標準化され実用に向かっている．これまでの歴史的な流れを見ても，広い帯域を確保するためには，更なる高周波数化に向かうことは想像に難くない．本稿では，これまで切り離されて個々に研究されてきた無線通信と光技術が融合する領域の研究（テラヘルツ波通信・OAM 多重・光 MIMO）について紹介し，2030 年の超スマート社会への基盤技術となり得るかについて議論したい．
キーワード：テラヘルツ波通信，軌道角運動量多重，光渦多重，光 MIMO，RoF

1．は

じ

め

Output））について紹介する．

に

2．では，テラヘルツ波を用いる上での問題点とその実

移動通信システムは，およそ 10 年周期で世代が進ん現について概要を述べる．なお，テラヘルツ波の周波数

でおり，2020 年春にはついに第 5 世代移動通信システ

範 囲 は，文 献 に よ り 異 な っ て い る が，本 稿 で はム（5G）のサービスがスタートした．2030 年頃に実現

100 GHz〜10 THz をその範囲と考えることにする．

が期待されている 6G では，その速度は 100 Gbit/s を超

3．では，電磁波，及び，光が持つ物理量である OAMえると考えられている (1) (2)．高速化を実現するためのを用いた OAM モード多重通信の紹介とその問題点に方策の一つは，広い帯域を確保できる高周波数帯を利用ついて説明する．従来，無線通信の多重化には，時間やすることであり，既に 5G では数十 GHz のミリ波帯の周波数といった物理量をそれぞれ直交させたモードに異使用が実現された．今後，更なる高周波数化が進み，数なる情報を乗せる（変調する）ことで行われてきた．こ

百 GHz を超えることが予想されている．このような高れらは，等位相面が平面となって伝搬する直線偏波や円い周波数帯では，従来の無線通信で用いてきた技術をそ

偏波の直交性を利用して多重化に用いられている．とこのまま使うことが難しくなる代わりに，光の性質に近い

ろが，OAM モードは等位相面がらせん状となって伝搬ことで光技術を導入できるかもしれない．そこで，本稿

し，原理的には無限のモードを発生させることが可能ででは，無線通信と光技術が融合する領域の研究（テラヘある．

ル ツ 波 通 信・軌 道 角 運 動 量（OAM : Orbital Angular

4．では，光 MIMO (注1)の基本原理とその応用について

Momentum）多重，光 MIMO（Multiple Input Multiple

紹介する．光電変換を行う前の段階，つまり光の領域
で，各モードの光信号を遅らせたり干渉させたりするこ

西村寿彦 正員：シニア会員 北海道大学大学院情報科学研究院情報科学専攻
E‑mail nishim@ist hokudai ac jp佐藤孝憲 正員 北海道大学大学院情報科学研究院情報科学専攻
E‑mail tksato@ist hokudai ac jp
小川恭孝 正員：フェロー 北海道大学大学院情報科学研究院情報科学専攻
E‑mail ogawa@ist hokudai ac jp
大鐘武雄 正員：フェロー 北海道大学大学院情報科学研究院情報科学専攻
E‑mail ohgane@ist hokudai ac jp
Toshihiko NISHIMURA Senior Member Takanori SATO Member Yasutaka
OGAWA and Takeo OHGANE Fellows (Graduate School of Information Scienceand Technology Hokkaido University Sapporo‑shi 060‑0814 Japan)

電子情報通信学会誌

Vol 104 No 5 pp 485‑489 2021 年 5 月©電子情報通信学会 2021

6G がひらく 2030 年の超スマート社会特集

2‑12とが可能であり，本節ではこのような「光（信号の）MIMO」について取り上げる (3)〜(5)．光 MIMO は，現行のシステムにおける DSP（Digital Signal Processor）への 負 荷 を 軽 減 す る だ け で は な く，ア ナ ロ グ 光 無 線(注 1) 一般的に知られている「光 MIMO」は，一度フォトディテクタ
で光信号を電気信号に変換してから，ディジタル信号処理装置を用いた補償によって送信信号を復元することを指す．

光の領域と融合する無線通信485

図 1 テラヘルツ波の伝搬損
伝搬距離をパラメータとした伝搬損の周波数特性を伝搬モデルにより求めたものである．
0 1 THz 近傍で明らかな，右上がりのなだらかな直線は周波数の二乗に比例する自由空間伝搬損である．一方，ピークは大気による吸収減衰であり，特に 1 THz を超えた周波数帯で顕著である．w, w, w, w は大気の窓の例である．文献( )から許諾を得て転載．（©Elsevier 2014）．

（RoF : Radio‑over Fiber）通信において光の領域でウェ

送信機のアンテナ利得を表している．L は自由空間伝イト制御できる等の応用可能性も期待される．

搬損であり，周波数の二乗に比例して増加することが分かる．したがって，高い周波数帯のテラヘルツ波は大きな伝搬損を被ることが分かる．

2．テラヘルツ波通信

更に，大気中をテラヘルツ波が伝搬するとき，水蒸気

テラヘルツ波の通信への応用として検討されていると酸素による吸収のため，著しい周波数選択性を持った

ユースケースは，モバイルフロントホール，モバイル

減衰を受けることになる．この損失を大気減衰損といバックホール(用語)，近接ダウンロード，半導体チップ間通信，プリント基板間通信，データセンターのサーバ間通信などである(6) (7)う．
以上の二つの損失を，伝搬距離をパラメータとして，数値計算により求めた結果 (8)を図 1 に示した．0 1 THz．

テラヘルツ波を用いるときに問題となるのは減衰であ近傍で明確に認められる右上がりの直線は，周波数がる．まず，大気による吸収などが起きない真空中での伝10 倍になると 20 dB 増加しており，周波数の二乗に比搬を考える．送信信号の電力を P，周波数を f，送受信

例して増加する自由空間伝搬損である．また，周波数に間の距離を d とするとき，受信電力 P はフリスの伝達強く依存するピークは大気減衰損である．1 THz を超公式から次式で与えられる．

えた領域で大気による減衰が著しいことが分かる．また，ピークとピークの間の損失が比較的小さい周波数範P =G GP
L(

囲を「大気の窓」と呼んでいる．

)

テラヘルツ波を用いた通信において，大気の窓の周波数帯域を選択し，送受信アンテナの利得 G，G を大き

ここで，L は次式で定義されている．

L=



4πdf
c



くすることによって伝搬距離を長くすることができる．
アンテナの物理的な大きさが同じであれば，利得は周波



(

)

数の二乗に比例して増加することから，このことは十分可能である (1)．

上式で，c は光速，G と G は，それぞれ，受信機とテラヘルツ波はミリ波から遠赤外線の領域に及ぶため，送受信機はエレクトロニクス技術，あるいは，フォトニクス技術により実現される．エレクトロニクス技術

■

用

語

解

を用いたものとしては，InP のような高い周波数で優れ説

モバイルバックホール，モバイルフロントホール
移動通信システムで基地局と基幹となるコアネットワークを結ぶ
ネットワークをモバイルバックホールという．基地局とアンテナ部分が離れている場合，これらを結ぶ回線をモバイルフ
ロントホールと呼ぶ．

た特性を有する化合物半導体デバイスが挙げられる．ま■ニクス技術による実現例の一つは，二つのレーザ光を486

た，シリコン CMOS 集積回路は，コンピュータなどで最も広く使われているデバイスであり，300 GHz 付近の
テラヘルツ波についても利用可能である．また，フォト

電子情報通信学会誌 Vol 104 No 5 2021

フォトダイオードに入力し，その光信号の差の周波数を有する電気信号を得るものである．この差周波数をテラヘルツ帯に定めることによってその発生が可能となる．
これらの詳細は，文献(

)，(

)，(

)を参照された

い．

3．軌道角運動量多重通信
OAM モードによるビームは，図 2 に示すように等位相面のらせんの数が整数（OAM モードの次数）となって伝搬する．原理的には無限のモードが考えられ，各モードは互いに直交するので無限の情報を多重できることになる．ただし，後述する幾つかの問題点があり，現在のところ，無限多重は実現できていない．
歴史的には，2004 年に自由空間伝送において初めて(9)実証 されて以来，無線通信では，2019 年に NTT により 200 Gbit/s の伝送実験が行われた (10)．光通信におい図 2 OAM ビームの等位相面重なるらせんの数が OAM モードの次数となる．この図では 3 波長進行している．各モードは直交関係にある．また，中心は，モード 0 を除き，全ての位相が合成された特異点となり電力は存在しない．

ては，軌道角運動量を用いた光渦多重通信として知られており，光ファイバ通信の伝送方式の一つとして研究が進められている．そして，東京工業大学が五つの OAM
モードを多重する光渦多重器を開発する (11) に至っている．このように，無線通信と光通信でそれぞれ研究が進んでおり，実用化のフェーズへ進みつつある．しかしながら，幾つかの解決されていない問題点が存在する．
一つ目の問題点は，複数の OAM モードを発生させて多重する装置の物理的規模が，多重数に応じて大きくなることである．光通信においては，OAM モードはら
せん位相プレートやホログラムプレートを用いて位相をらせん状に回転させる方法を用いる．どちらも複数のモードを発生させるには，位相の回転数に応じたプレー
トを複数用意して，ハーフミラーなどによる合波処理を行うことになる．ただし，この問題は文献(11)で用いられているシリコンフォトニクス技術を導入することで解決できる．
無線通信においては，光通信と同様な方法でも発生可能である．それに加えて，文献(10)，(12)で用いられて

図 3 OAM モード多重通信の実証実験を行った装置構成
8素子の UCA が用いられており，8 モード多重が実証された．文献(12)から許諾を得て転載．

い る よ う な UCA（Uniform Circular Array：円 形 アレー）を使うことで，他の多重方式と同様な規模で装置を構成することができる．図 3 は，NEC が実証実験をは存在せず，中心軸からの距離を r，モード次数を l と行った際の装置構成の写真で，8 素子の UCA が用いらするとき，ビームはほぼ r   に比例して広がる (13)．ラ(12)．なお，このようにアレーアンテナを用いゲールガウスビームと呼ばれるこのビーム形状により，る場合，実現可能な OAM モードの多重数はアレーの特に高次モードの長距離伝送が難しいとされている．光

自由度を超えることはできないため，原理的に固有モー学的なアプローチでは，誘電体レンズを用いて，ビームド伝送との違いがない．

広がりを抑制する方法があるものの，多重した場合のれている二つ目の問題点は，OAM モードの次数が大きくなる

モ ー ド ご と の ビ ー ム 制 御 は 難 し い．無 線 通 信 で は，のに応じて，送信波の電力の最大方向が進行方向の外側

UCA を同心円状に複数用いて，それぞれのアレーに対に広がってしまうというものである．前述したように，

して位相と電力配分を調整し，モードごとのビームの広軌道角運動量を持つ電磁波は，らせん状の等位相面を持がりをそろえることで，距離方向の特性劣化をある程度つ．そのため，進行方向の中心では特異点となって電力抑制することが可能となる (14)．

6G がひらく 2030 年の超スマート社会特集

2‑12

光の領域と融合する無線通信487

三つ目は，特に無線通信で大きな問題となる設置誤差

ン光共振器とリング共振器構造を用いたユニタリ変換器

による影響である．設置誤差等により直交性が崩れるの構成が提案されている (5)．リング共振器形のマッハと，モード間干渉が発生し，伝送特性が大きく劣化す

ツェンダ干渉計は，およそ 0 01×0 02 mm 2 のフットプ

る．これについても，幾つかの検討がなされているが，リントで実現可能であり，光回路の専有面積だけで考え誌面の都合で割愛する．

ると，100×100 の変換でも 2×2 mm 2 程度に収まると以上のように，OAM モード多重には解決すべき問題見込まれる (5) (15)．また，任意の行列（M）に対しても，が残されている．しかしながら，光通信と無線通信でそ特異値分解 (M =USV H ) を行うことで，特異値（光増れぞれ研究が進み，テラヘルツ波帯では光と無線の両方

幅器・光減衰器）とユニタリ行列 U，V（光ユニタリ変のメリットを統合することで，これらの問題が解決され換器）に分離できることから，ユニタリ変換に限らず任ることを期待する．例えば，OAM モードの発生と複数

意の行列 M を用いた変換が可能である．各モードを遅

モードの合波は光技術の延長で行い，ビームの広がりや延させて干渉させることで一般的な MIMO 補償を光の誤差の影響の対策などは無線で検討されている信号処理領域で行うことも可能であることから，DSP への負荷を導入するといったことが考えられる．

を軽減した高速な光送受信システムの実現も期待できる．

4．光 M I M O

更に，本稿の主眼としている光と無線の融合という観点からは，例えば図 4 のように，アナログ RoF 信号の

光 MIMO のプロトタイプである光ユニタリ変換器

ビーム形状を，光の領域でプログラマブルに設定可能な（ユニバーサル線形光回路とも呼ばれる）は，n 個の光送信デバイスを構成することも可能である．一般に，

入 力（複 素 振 幅 列 a={a, ⋯, a} ）に 対 し て，任 意 のRF 信 号 の 位 相 は，上 下 側 波 帯（USB/LSB : Upper/

n×n のユニタリ行列（U）による基底変換が施された

Lower sideband）に対応する光信号に対して光位相を光 出 力 (b=Ua) を 得 る た め の 光 デ バ イ ス で あ る (3)．

変化させることで制御可能であることが知られていn(n+1)個の位相
2る (16)．USB/LSB に対して光フェイズドアレーを通すだ

1994 年に Reck らが発表したものはn(n−1)
シフタと個のハーフミラーによる理論提案に2とどまっていたが，その後の平面光波回路の作製技術の向上により，マッハツェンダ干渉計を用いた構成の石英系デバイスが実験により実証されるまでに至った (4)．しかしながら，光回路の素子サイズが大きくなる傾向があり（文献( )の報告例では，6×6 のユニタリ変換部分のデバイス長はおよそ 5 cm 程度），演算次元の拡大が困難であった．
近年，回路サイズを 1/10 以下に小形化できるシリコ

けでも RF 信号の放射角度を制御可能であるが，ユニタリ変換部においてバトラマトリックス (17) を適用することで，4 信号分を同時に放射させたり，あるいはバトラ
マトリックスの列を入れ替えて放射角度を時間変動させたりすることも可能である．また，光共振器を用いたユニタリ変換器を用いることで，アンテナ数を 32 64 ⋯と増やすことも容易である．これはほんの一例であり，光の領域で任意のウェイト行列を乗じることができる点
は，これまでに考えられてこなかったようなシステム構
築につながることが期待される．こうした光の領域における柔軟な制御機構を無線通信システムに取り入れるこ

図 4 4×4 光ユニタリ変換器を用いた RoF 伝送用ビームフォーミングデバイスの構成例
RF 信号で変調した四つの光信号をキャリヤと USB に分波して，それぞれに対して，光ユニタリ変換器・光減衰器による行列積演算を施し，光電変換後にアンテナへ入力することで，変換行列に応じた様々なビーム
フォーミングが実現できる．

488

電子情報通信学会誌 Vol 104 No 5 2021

とで，よりスマートな伝送システムを確立することの検討が進められている．

5．お

わ

り

に

2030 年には，ほぼ確実に従来の無線通信と光通信の中間の高周波（ミリ波・テラヘルツ波）帯による情報伝送が実用化されているだろう．本稿では，無線と光の技術の融合が実現され得る三つの技術（テラヘルツ波通信，OAM 多重，光 MIMO）を紹介した．この周波数帯で，これまで別々に研究されていた技術が融合し，それぞれのメリットを生かした通信方式が開発されるものと期待する．
文
(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(10)

(11)

献

(12)

平 部 正 司，善 久 竜 滋，宮 元 裕 章，生 田 耕 嗣，佐々 木 英 作，
OAM モード多重による大容量無線伝送技術， 信学通誌，vol.
13, no. 3, pp. 195-204, Dec. 2019．
(13) 荒木純道，李 斗煥， 空間多重化としての OAM 伝送， 信学
誌，vol. 100, no. 8, pp. 854-858, Aug. 2017．
(14) A. Yamamoto, T. Nishimura, T. Ohgane, T. Tandai and D. Uchida,“Maximum ratio transmission for OAM mode multiplexing using
multiple UCAs,” Proc. 14th European Conference on Antennas andPropagation (EuCAP), March 2020.
(15) W.R. Clements, P.C. Humphreys, B.J. Metcalf, W.S. Kolthammer, and
I.A. Walsmley, “Optimal design for universal multiport interferometers,” Optica, vol. 3, no. 12, pp. 1460-1465, Dec. 2016.
(16) C. Tsokos, E. Mylonas, P. Groumas, V. Katopodis, L. Gounaridis, R.B.
Timens, R.M. Oldenbeuving, C.G.H. Roeloffzen, H. Avramopoulos,
and C. Kouloumentas, “Analysis of a multibeam optical beamforming
network based on Blass matrix architecture,” J. Light. Technol., vol.
36, no. 16, pp. 3354-3372, Aug. 2018.
(17) W. Charczenko, M.R. Surette, P.J. Matthews, H. Klotz, and A.R.
Mickelson, “Integrated optical Butler matrix for beam forming inphased-array antennas,” Optoelectron. Signal Process. Phased-Array
Antennas II, vol. 1217, pp. 196-206, June 1990.

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Communication Conference (OFC), no. M1C. 7, March 2019.

（2020 年 11 月 30 日受付）

西村 寿彦（正員：シニア会員）
平 4 北大・理・物理卒．平 10 同大学院工学研究科博士後期課程了．同年同大学院工学研究科電子情報専攻助手を経て，平 29 同准教授，
現在に至る．この間，MIMO システムによる高速通信に関する研究に従事．博士（工学）．
平 18 年度本会論文賞受賞．
佐藤 孝憲（正員）
平 26 北大・工・情報卒．平 30 同大学院情報科学研究科博士後期課程了．平 31 兵庫県立
大・工・電子情報工・助教を経て，令 2 北大大学院情報科学研究院准教授，現在に至る．その間，光通信・光演算のための各種光導波路・光共振器デバイスに関する研究に従事．博士（工学）．
小川 恭孝（正員：フェロー）
昭 48 北大・工・電子卒．昭 53 同大学院博士課程了．昭 54 同大学・工・講師を経て，平 16
同大学院情報科学研究科教授，平 25 同名誉教授，現在に至る．この間，アダプティブアンテ
ナ，MIMO システムなどの研究に従事．工博．
平 18 年度本会論文賞，平 25 年度本会業績賞各受賞．IEEE フェロー．
大鐘 武雄（正員：フェロー）
昭 59 北大・工・電子卒．昭 61 同大学院修士
課 程 了．同 年 郵 政 省 電 波 研 究 所，平 4 (株)ATR 光電波通信研究所，平 7 北大大学院工学研究科助教授を経て，平 27 同大学院情報科学研究科教授，現在に至る．この間，MIMO シ
ステムなどの研究に従事．博士（工学）．平 18
年度本会論文賞受賞．

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