Ⅰ

ネットワーク基盤技術

１. 光ネットワーク技術「ひかり」を自由にあや つ る ／ 川 西 哲 也 ・ 管 野 敦 史「ひかり」を自由にあやつる－高速高精度光変調技術で拓く大容量通信と宇宙をみる極限技術－「高速で高精度な光変調技術の研究は、将来の大容量光通信を実現するだけにとどまらず、宇宙をみるための究極の精度を持つ光信号源の研究につながっています。
」

川西 哲也（かわにし てつや）
光ネットワーク研究所
光通信基盤研究室 室長

学生ベンチャー、大手メーカー、大学といろんな環境を経て 1998 年に CRL（現 NICT）のメンバーになりました。国内外の様々な機関の研究者、大学からの研修生の皆さんと力を合わせて光通信技術やマイクロ波フォトニクスの研究をしています。

菅野 敦史（かんの あつし）
光ネットワーク研究所
光通信基盤研究室 主任研究員

2005 年筑波大学大学院卒。筑波大学大学院 VBL 特別研究員を経て 2007 年 NICT 入所。大学時代のテーマである半導体光物性研究から一貫して光技術の研究に従事。高じて写真が趣味となり日夜研鑽中。

026

ムーズにやりとりする技術が求められています。

Ⅰ−１
光ネットワーク技術

光変調技術で「ひかり」をあやつる

私たちは、このようなニーズに応えるため、高速インターネットが思い浮かぶのではないでしょう

おり、光変調の高速性の追求に加えて正確に光か。誰もが携帯電話やインターネットを使ったとをあやつる技術で世界トップクラスの成果を上げきに、どこかで「ひかり」を使った通信、すなわち、ています。この技術は様々な分野での利用が期光通信のお世話になっているはずです。光ファイ

待できる中で、私たちは、極限性能を追求する電バを使えば、遠くまで光にのせた情報を伝えるこ

波天文への応用を目指した研究を行っています。とができます。人間同士が会話をするときに音

ここでは大容量通信を実現するための最新の高の高さや強さ、長さを変化させて情報を伝えるよ速高精度光変調技術と巨大な電波望遠鏡を支えうに、光通信では光を変化させます。このことをる基準信号発生技術を紹介します。

Ⅰ−２

Ⅰ−３
ネットワークセキュリティ技術

光通信を支える光変調技術の研究開発を進めてワイヤレスネットワーク技術

今や「ひかり」といえば新幹線というよりも先に光変調と呼びます。最も簡単な光変調として光が
「ある」
「ない」
、の 2 通りでデジタル信号を送る

高速高精度光変調で大容量の光通信をオンオフキーイング（OOK）と呼ばれる方法がこさずにどんどんため込む、デジタルカメラでどん種です。電磁波を特徴付けるのは、大きさ（振幅）、どん撮影するといった、とにかくデータを保存し振動の速さ（周波数）、波動のタイミング（位相）ておいて必要なときに選んで取り出すというライの 3 つの要素です。これらを変化させることで、フスタイルが広がりつつあり、大量のデータをス情報を伝えます。先にご紹介した OOK は、振幅Ⅰ−４

光は光波とも呼ばれ、電波と同じ電磁波の一新世代ネットワーク基盤構成技術／テストベッド技術

れまで使われてきました。最近では、メールを消Ⅱ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

Ⅲ 未来基盤技術

ICT

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

図1 （左）光の波形： サインとコサイン （右）OOKと16QAMのコンステレーション௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

027

Ⅰ

ネットワーク基盤技術

１. 光ネットワーク技術「ひかり」を自由にあや つ る ／ 川 西 哲 也 ・ 管 野 敦 史

が“1（オン）”か“0（オフ）”の 2 通りの光波の状じことがいえます。光の状態をより正確に制御で態（シンボルまたは符号と呼ぶ）を使うもので、1きないと符号の区別ができなくなります。波動の回の光変調でデジタル信号を 1 つ（1 ビット）伝え一種である光波は図 1（左）に示すようなサイン、ることができます。より多くの情報を送るためにコサインの 2 成分で表されます。周波数を一定は、①光変調をより速くする、② 1 回の光変調でとすると、光波の状態、つまり、光変調の形式はより多くのビットを送る、という 2 つのアプロー

これらの 2 成分を縦軸・横軸とした平面上の点チがあります。①は高速に、②は高精度に光を変で表すことができます。一度にたくさんの情報を調する技術に相当します。長年にわたり①の高速送るときには多数の符号が必要になります。符号化が研究のトレンドでしたが、NICT では世界にを 2 次元平面上に表した図のことをコンステレー

先駆けて①と②の両立に取り組んできました。

ション（星座図）と呼びます。複雑なコンステレー

ここで、②の高精度光変調について説明しま

ションをもつ信号を高速で発生させることが大す。位相、振幅をそれぞれ、2 通りずつ、組み合容量伝送実現の鍵です。図 1（右）は 16 個の符号わせを考えると全部で 4 つの符号を使えば 1 回を使って一度に 4 ビットの信号を送る 16 値直交の変調で 2 ビットを送ることができます。n ビッ

振幅変調（16QAM）と従来の OOK のコンステト送るためには 2 個の符号が必要です。符号をレーションです。16QAM では符号間の距離が増やすには正確な光変調が重要になります。日

小さく、高精度光変調が重要であることがわかり本語の発音に例えてみましょう。五十音に加えて、ます。NICT は一度に 2 ビット送ることができる

同じ「あいうえお…」でも振幅の小さいものを別4 値位相変調（QPSK）と高速な変調速度を両立の音とすると決めたとします。そうすると、短いする技術を世界で初めて 2004 年に発表し、そ言葉でたくさんの情報を伝えることはできるかもれ以降、1 つの光で 100Gbps の通信を実現すしれませんが、音の大きさを正確に言い分ける、ることは特別なことではなくなりました。さらに聞き分ける能力が必要になります。光変調でも同世界初の 50Gbps 16QAM を可能とする集積n40ギガビット伝送実験
光光によるミリ波発生装置
2つの光信号の差としてミリ波を伝送

無線(ミリ波)16値光変調器

光・ミリ波変換器

Q

光周波数

図2028

デジタル信号処理

毎秒40ギガビット
I16QAM

光ファイバ無線技術による超高速無線伝送の概念図

デジタル信号10 01010101011101

る光の大きさを表す）がありますが、従来技術とましたが、光の周波数は携帯電話の使用周波数比べて 1 万倍を達成しました（図 3）。ALMA でと比べて 10 万倍高く、複雑な変調方式は困難で必要となる高い安定度、広い周波数範囲での信あるというのが常識でした。しかし、ここで紹介号発生などの条件を満たす信号源を高い消光比した高速高精度光変調技術や、高速信号処理技の光変調技術で実現しました。高い消光比の変術などによりこの課題は克服されつつあります。

調は ALMA 向けの信号源だけではなく、より高一方、光変調技術で、高度な無線変調信号を発度な変調方式実現に重要であることが明らかに生させることも可能となり、世界最高速度（2011

なってきています。基礎研究から応用研究までを年 9 月当時）の 40Gbps 無線伝送を実現してい一貫して確実に進めていくことの重要性を示すます（図 2）。

成果であるといえるでしょう。

Ⅰ−２

Ⅰ−３
ネットワークセキュリティ技術

従来から様々で複雑な変調方式が利用されていⅠ−１ワイヤレスネットワーク技術な指標である消光比（光をオフしたときに消え残

光ネットワーク技術

光変調デバイスを実現しました。無線分野では大容量通信のために光ファイバの中でコンス究極の高精度光変調で宇宙をみる

テレーションを描きながら、本当の宇宙をみるための技術にもつながるなんて、夢があると思いまた、極限技術へのチャレンジとして、国立天ませんか ?

文台と共同で世界最大の電波望遠鏡 ALMA
（アⅠ−４

新世代ネットワーク基盤構成技術／テストベッド技術

タカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計）向けの基準信号発生技術の研究を行っています。ALMA はチリの高山地域で国際プロジェクトとして開発が進められている世界最高の感度と分解能を備えた電波望遠鏡です。最長 18.5km 離れた 66

Ⅱ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術台以上のパラボラアンテナで構成されます。こ
れらのアンテナを連動させるためには基準光信号が必要となります。光変調の精度を表す重要Ⅲ 未来基盤技術

ICTⅣ 電磁波センシング基盤技術

図3

高消光比変調による光のオン/オフ௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

029