60GHz 帯空間多重無線信号分離・光信号変換デバイスの開発
Development of wireless-optical signal conversion devices with discrimination of space-division-multiplexing signals operating in 60 GHz band
ロ ボ ッ ト や M2M （ Machine-To-Machine ）、 D2D（Device-To-Device）、IOT（Internet of Things）が注目を集めている。第 5 世代（5G）無線へ向けて、無線通信技術は一層の広がりを見せている[2]-[4]。特に、日本では、2020 年の東京オリンピック・パラリンピッ
クを旗印に、無線通信技術の研究開発が加速している。
しかし、無線通信のための周波数資源はマイクロ波

村田 博司 (Hiroshi MURATA, Dr. Eng.)

帯では枯渇状態であり、今後は搬送波周波数をミリ波

大阪大学大学院 基礎工学研究科 准教授

帯へ移行させることが不可避となっている。それゆえ、(Associate Professor, Graduate School of Engineering Science,
Osaka University)

多種多様なミリ波無線信号を、自由自在に伝送・交換・制御するための伝送技術・制御技術の開発が重要とな

電子情報通信学会 応用物理学会 日本光学会 レーザー学会 IEEE
OSA EuMA
受賞：国際会議 EuMC Microwave Prize (2005 年度) 国際会議 IEEE
Photonics Global Singapore 2008 最優秀論文賞 (2008 年度)
著書：村田博司（分担執筆）：“分極反転デバイスの基礎と応用”, 宮澤信太郎, 栗村直 編, オプトロニクス社 (2005) 村田博司（分担執筆）：“レーザーハンドブック（第 2 版）”, レーザー学会 編, 24.2 光変調素子, オーム社 (2005)
研究専門分野：光エレクトロニクス マイクロ波フォトニクスっている。
ミリ波帯においては、大気での伝搬損失が大きくなるので、無線通信におけるセルサイズがマイクロ波帯に比べて小さくなる（スモールセル、ピコセル等と呼ばれる）。これは、同じ搬送波周波数を異なるセルに割り当てることが容易となるため、周波数資源利用効率の点で有利と言えるが、システム全体の構成を考える際には工夫が必要となる。5G 無線を既存 3G/4G ある
いは WiFi 等と併用するという方法は、この対応策の 1

ミリ波帯無線通信のためのアレイアンテつであるが、ミリ波無線を光ファイバー網とリンクさナ電極光変調器について紹介する。平面アンテナと共せて光ファイバーを介してミリ波無線あるいは IF 信振型変調電極とを結合させたアンテナ電極を光導波路

号 を 遣 り 取 り す る 光 フ ァ イ バ ー 無 線に沿ってアレイ状に配置すると、フェーズドアレイア（Radio-over-Fiber：RoF）技術を活用する方法も有ンテナのような指向性を持つ無線信号－光信号変換デ力である[4]-[6]。マイクロ波帯の RoF は、地下街やビバイスを実現することができる。さらに、強誘電性光ル内での携帯電話中継技術としてすでに実用化されて学結晶の自発分極反転技術を適用すれば、無線信号－いるが、ミリ波帯 RoF は発展途上段階にある。

あらまし

光信号変換の指向性を自在に設定することもできる。

筆者らのグループは、高速電気光学変調器と平面ア外部電源が不要であり、5G 無線通信やミリ波レーダンテナとを融合させた無線・光信号変換デバイスを提ー等で有用と考えられる。本稿では、60GHz 帯での動案している[7]-[9]。このデバイスは、ミリ波無線 RoF作実験結果について述べる。

システムにおいて有用と考えられる。特長としては、アンテナアレイの構成やデバイスの基板を工夫することで、複数の無線信号を受信して、信号の到来方向毎１．はじめに無線通信技術の社会への浸透には目を見張るものがに異なる光信号に分離することができることが挙げらある。国内のスマートフォン・携帯電話等の契約数は、れる。つまり、1 つのアレイアンテナの構成のみで、既に 1 億 5 千万台を超えて、なおも増加傾向にある[1]。

複数チャンネルのフェーズドアレイアンテナと同じ機

無線 LAN/WiFi の Hot Spot は、街の至る所で見られ能が得られる。デバイスの構成はシンプルでかつパッるようになり、無線決済システムの利用も進んでいる。

シブ（外部電源不要）であり、レーザー光を供給する自動車や一般家庭にもさまざまな無線機器が普及してだけで複数の無線信号が到来方向毎に分離されて、そおり、さらに、無線通信技術を駆使したネットワークれぞれ異なる光信号に変換されて出力される。5G 無
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線通信システムやミリ波レーダー等への応用が期待で調器内を光波が伝搬する時間内における信号の位相変きる。

化を考慮する必要がある。一方、この走行時間効果を本稿では、低誘電率ガラス基板を用いたミリ波帯ア上手く利用すると、面白い特性を得ることができる。

ンテナ電極光変調器の設計と最新の実験結果[10] に

たとえば、アンテナ電極の間隔を適切に調節すると、ついて紹介する。

光波がアンテナ電極間を伝搬するのに要する時間をミリ波信号の 1 周期に合わせることができる。この間隔

２．アンテナ電極光変調器の構成と動作原理

でアンテナ電極を等間隔に並べたリニアアレイ構成を

図 1 に筆者らが提案しているアンテナ電極光変調器用いて、すべてのアレイアンテナを同じタイミングでの基本構成を示す。平面アンテナと定在波共振型電極励振・振動させると、光波が各アンテナ電極を通過すを直結させたアンテナ電極を、光導波路に沿ってアレる際に常に同じ極性の光変調を受けることになり、累イ状に並べた構成である。定在波共振型電極の上部に積的な光変調作用が得られる。この状況は、すべてのは、複数本の光導波路を作製した電気光学結晶薄膜（厚アンテナで受信した信号を同相で合成するフェーズドさ ~ 50 m）を装荷してある。アンテナ電極で受信しアレイアンテナと同じである（光波走行時間効果によた無線信号は定在波共振型電極に送られ、設計周波数る時間遅延を利用しているので、同時刻性は失われてにおいて共振型電極に沿って定在波電界が生じる。こいるが、通常のミリ波無線やレーダーではこの程度のの電界によって、電気光学結晶中に屈折率変化が誘起時間遅延は問題にならない）。このデバイスでは、通常される。電気光学効果による屈折率変化がミリ波周波のアレイアンテナにおける面倒な信号合成回路が不要数で振動するために、光導波路中を伝搬する光波はミである。信号合成における遅延線路の損失・結合の問リ波周波数で位相変調されることになる。

題が生じないために、アレイアンテナで受信した無線

このアンテナ電極光変調器の動作のポイントは、光波信号をほぼ理想的な条件で合成することができる。

が伝搬する時間内の変調信号の位相変化（光波走行時間効果と呼ばれる）を利用していることである。光波

３．分極反転による指向性制御の 伝搬速度 は極め て速いが 、無線信 号の周 波数もこのアンテナ電極光変調器の動作におけるもう 1 つ60GHz 程度とかなり高いために、たかだか数 mm 光のポイントは、複数の光導波路と分極反転技術（電気波が伝搬する間に無線信号の位相が変化して、変調電光学結晶の持つ自発分極の極性を自在に反転させる技

極における電界の極性が反転してしまう。つまり、変術）を用いることによって、フェーズドアレイとして(a) 全体図

図１(b) 断面図

アンテナ電極電気光学変調器の基本構成

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60GHz 帯空間多重無線信号分離・光信号変換デバイスの開発
Development of wireless-optical signal conversion devices with discrimination of space-division-multiplexing signals operating in 60 GHz bandの機能を多重化できることである。光波の波長はミリ４．設

計

波の 1/1000 程度であるために、ミリ波共振型電極にアンテナ電極光変調器おいて、アンテナ電極を構成沿って複数本の光導波路を平行に設置して、それぞれする平面アンテナおよび共振型電極は、いずれもミリの光導波路中を光波が結合することなく独立に伝搬さ波に対する共振器である。したがって、設計においてせることができる。
（図 1 では、4 本の光導波路を共振は、両者の共振周波数と入力・出力インピーダンスを型電極のエッジ部分（強い電界が誘起される部分）に合わせることが重要である。それゆえ、3 次元電磁界設置してある。
）そして、それぞれの光導波路には、異シミュレーターHFSS を用いて、両者の正確な解析・なる分極反転構造を導入することができる。

設計を行っている。紙面の都合上、解析・設計の詳細

分極反転構造を導入しても、（線形な）光学特性およは省略するが、図 1 に示すガラスと電気光学結晶とをびミリ波特性は変化しないが、電気光学効果の符号が貼合わせた構造の基板を用いることで、設計の自由度反転する。つまり、光波走行時間やアンテナとしてのを増やして、アンテナの利得と共振電極の Q 値を高め特性は変わらないが、無線信号－光信号変換におけるた状態で、共振周波数とインピーダンスを合わせるよ

相互作用の極性だけが、局所的に選択的に反転するこうにしている[8]。図 3 の設計例では、デバイスに照射とになる。それゆえ、光波走行時間を利用した無線信される無線信号電界の約 220 倍の強さの電界が変調電号合成回路に、いわば、フィルター回路としての特性極上に誘起される。

を付加することができる。光導波路毎にフィルター回路の特性を変えることで、無線信号－光信号変換の指５．試作・動作実験向性を選択的に変えることができる。

アンテナ電極光変調器の試作・実験についても紹介

図 2 に指向性制御の例を示す。図 2 では、自発分極する。作製の工程を図 4 に示す。これらの工程は、すを反転させた領域を緑色で示してある。分極反転構造

べて大阪大学岡村研究室で行った。ベースとなる基板を変えることで、無線信号－光信号変換の指向性を調には、石英ガラス（厚さ 250 m）を用いて、その上節することができる。図 2 は、8 つのアンテナ電極か部に電気光学結晶 LiNbO3 （厚さ 250 m）を紫外線らなるリニアアレイの構成を用いて、無線信号変換の硬化接着剤で貼付した後、光学研磨により LiNbO3 結効率が 15 度ずつ異なるようにした場合の例である。

晶を 50 m まで研磨している。光導波路およびアン空間多重無線信号の分離が可能であることがわかる。

テナ電極は、ガラスと結晶の貼合せ面に作製してある。

この場合は、空間多重信号の分離比は 13dB となる。

作製したアンテナ電極光変調器の写真を図 5 に示す。

これは、理想的なリニアアレイの特性と同じである。

図２

分極反転構造を変えたときの無線信号－光信号変換の指向性の変化

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設計周波数 58GHz の信号を上部から照射したときの電極表面の電界強度変調電極上の電界強度の変化（青色は基板に LiNbO3 結晶（厚さ 250 m）のみを用いた場合の特性）

図３ アンテナ電極の設計例（3 次元電磁界シミュレーターHFSS による解析結果）

図４

デバイスの作製工程

図５

試作デバイスの写真導波路が切り替わることがわかる。これは、分極反転構造によって指向性が制御できていることを示している。図 7 の特性をレーダーチャートに纏めたものを図8 に示す。無線信号－光信号変換のピーク角度は、設図 6 の実験系を用いることで、アンテナ電極光変調器計値と良く一致した。このアンテナ電極光変調器だけの基礎特性を評価することができる。半導体レーザーで、空間多重無線信号を分離することができる。

からのレーザー光を光導波路に入力した状態で、光変最後に、このアンテナ電極光変調器を用いたデータ調器の上部からミリ波無線信号を照射する。無線信号伝送実験[10] について紹介する。無線通信システム応の送信電極は 10mW 程度である。信号の周波数や偏波、用の特性を調べるために、図 9 に示す系で評価を行っ照射角度を変化させたときの出力光の光スペクトルをている。ベクトル変調したミリ波信号をアンテナ電極計測することで、アンテナ電極光変調器の特性を調べ光変調器に照射して、光変換、光信号伝送後の波形変ることができる。

化を評価している。QPSK 変調信号を用いた場合の特図 7 には、照射角度を変えたときの出力光スペクト性も図 9 に示す。良好な結果が得られていることがわ

ルの変化を示す。照射角度を変えると、出力される光かる。
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図６

デバイスの評価のための実験系と出力変調光スベクトルの例

図７ アンテナ電極光変調器への無線信号の照射角度を変えたときの出力変調光スペクトルの変化（照射角度により信号が出力される光導波路が切り替わる）

図８

無線信号－光信号変換の指向性の測定例

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図９ データ伝送実験のための実験系と送信信号(A)と受信信号(B)のコンスタレーション

６．むすび

参考文献
[1] 一般社団法人 電気通信事業者協会 ホームページ

ミリ波帯で動作するアンテナ電極光変調器について

http://www.tca.or.jp/database/index.html

紹介した。作製したアンテナ電極光変調器を用いて、小電力（送信電力 < 10mW）60 GHz 帯無線信号を 1[2] D. Bojic, E. Sasaki, N. Cvijetic, W. Ting, J. Kuno,～2m 離れた位置で受信して光信号に変換して情報をJ. Lessmann, S. Schmid, H. Ishii, and S.

取り出すことができる。現在、20 Mbps QPSK 信号のNakamura, “Advanced wireless and optical

エラーフリー受信に成功している。ミリ波を用いた無technologies for small-cell mobile backhaul with

線通信システム、特に、多くのユーザーが集中する高dynamic software- defined management,” IEEE

密度ユーザー環境におけるパッシブな無線信号ピック

Com. Magazine, vol. 51, pp.86-93, 2013.
[3] 栗本 ，萩原, “ 特集 第 5 世代移動通信 (5G)の最アップや、工場の生産ライン等における機器からの信新動向,” 信学会誌 , vol.98, 2015 -5, pp.341-430,号モニタ等への応用が期待できる。

2015.
[4] N. J. Gomes, P. P. Monteiro, A. Gameiro, “NextGeneration Wireless Communications Using
謝Radio over Fiber,” John Wiley & Sons, 2012.

辞[5]日頃ご指導頂く、大阪大学 岡村康行名誉教授、永妻J.

Capmanyandcombines

D. Novak,忠夫教授に深くお礼を申し上げます。本稿で紹介した

photonics

two

デバイスの作製および動作実験は、大阪大学大学院基photonics, vol.1, pp.319-330, 2007.

“Microwaveworlds,”

Nature礎工学研究科岡村研究室の卒業生諸君と井上敏之特任[6] A. J. Seeds and K. J. Williams, “Microwave助教のご協力によるものである。卒業生諸君と井上助

Photonics,” IEEE/OSA J. Lightwave Technol.,

教に深く感謝します。

vol.24, pp.4628-4641, 2006.

6TELECOM FRONTIER No.91 2016 SPRING

60GHz 帯空間多重無線信号分離・光信号変換デバイスの開発
Development of wireless-optical signal conversion devices with discrimination of space-division-multiplexing signals operating in 60 GHz band[7] H. Murata, R. Miyanaka and Y. Okamura,“Wirelessspace-division-multiplexed

discrimination

deviceusing

signalelectro-optic

modulator with antenna- coupled electrodes andpolarization-reversed
Microwave&structures,”Wireless

Int.

Technol.,J.

vol.4,

pp.399-405, 2012.
[8] N. Kohmu, H. Murata and Y. Okamura,“Electro-opticmodulators

using

doubleantenna-coupled electrodes for radio-over-fibersystems,” IEICE Trans. Electron., vol.E96-C,pp.204-211, 2013.
[9] H. Murata and Y. Okamura, “High-speed signal
processing

utilizingpolarization-reversed

electro- optic devices,” IEEE/OSA J. Lightw.
Technol., vol.32, pp.3403-3410, 2014.
[10] 井上, 村田, 岡村, “アレイアンテナ電極電気光学変調器を用いたフォトニックベースミリ波無線リンク”, 信学技報, vol. 116, no. 15, MWP2016-6, pp.
23-26, 2016.

この研究は、平成２３年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２４～２６年度に実施されたものです。

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