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研究者情報:研究・産学連携

研究室紹介OPAL-RING
松浦 研究室

実証実験によって光ファイバ通信技術を高度化
誤りを恐れずアイデアを積み重ねる

所属 大学院情報理工学研究科
情報・通信工学専攻
メンバー 松浦 基晴 准教授
所属学会 (米国)電気電子学会 、
電子情報通信学会 、米国光学会
研究室HP http://www.mm.cei.uec.ac.jp/
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掲載情報は2015年8月現在

松浦 基晴
Motoharu MATSUURA
キーワード

光ファイバ通信、光信号処理、ネットワーク、無線通信、防災、携帯電話、レーザー、電力伝送

スマートフォンの快適な操作を支える光ファイバ通信

地上で最も高速で容量の大きな通信手段。それが光ファイバ通信です。光ファイバ通信とはその名前の通り、信号の伝送に「光ファイバ」と呼ばれる細長くて透明な繊維(ファイバ)を使います。光ファイバの中心にはコアと呼ばれる細長い芯があり、このコアに光を通すことで信号を伝送します。
最近は携帯電話機やスマートフォン、メディアタブレットなどで無線通信が盛んに使われています。無線通信は電磁波を空中に飛ばすことで信号を送ります。光も電磁波の一種なのですが、無線通信の電磁波に比べると原理的には遥かに高い速度で信号を送れます。つまり、単位時間当たりに送れる情報の量が格段に大きいのです(図1)。このため光ファイバ通信は、通信システムの背骨に相当する、基幹通信系やバックボーンなどと呼ばれる特に大きな容量を必要とするところに採用されています。
光ファイバ通信でどのくらい大きな量の情報を運べるのでしょうか。研究レベルでは、一秒間に一ペタビット(1Pbit)の情報を光ファイバで送れています。一ペタビットとは千兆ビットを意味します。これがどのくらい大きな容量かといいますと「ハイビジョンのデジタル映像を二時間分で一本と仮定したときに、五千本の映像データを一秒間で送ることに相当します」(松浦さん)。言い換えると、五千人のユーザーが一斉に二時間のハイビジョン映像をダウンロードしたとしても、たった一秒でダウンロードが完了してしまうということです。物凄い容量ですね。

図1 光ファイバ通信と無線通信の違い。光ファイバ通信は無線通信に比べ、格段に大きな容量の情報を送受信できる。

光信号処理で高速化と低消費電力化を両立

松浦研究室では、この光ファイバ通信の高度化を研究しています。高度化といっても、三つのテーマがあります。一つは最速と最高性能を目指した超高速の光信号処理技術です。もう一つは、光ファイバ通信と無線通信を融合した災害に強い通信技術です。三つ目に、最先端の光ファイバを用いた光ファイバ伝送技術の研究があります(図2)。

図2 松浦研究室が取り組んでいる研究テーマ。実際に回路を作製して実験を行うことを重視している。

一つ目のテーマである超高速の光信号処理技術は、将来の通信ネットワークの姿を考えたときに、重要となる技術です。光を使った通信ネットワークは、光信号を送受信するノードと、ノード間を結ぶ光リンクで構成されています(図3)。従来、ノードでは入力の光信号を電気信号に変換して電子回路で信号処理を実行し、電気信号を光信号に変換してから光リンクに信号を出力していました。
この方式ですと、電子回路の速度を上げるとともに消費電力が急激に増大します。最近では消費電力の増大が許容できなくなり、これ以上の高速化が困難になることが懸念されています。
そこで光信号のままで信号処理を実行する「光信号処理回路」をノードに搭載することが考えられています。光信号処理回路では電子回路を超える超高速の動作が可能になるとともに、消費電力を抑制できると期待されているからです。

図3 光ネットワークと光信号処理。ノード内の電子回路を光回路で置き換えることにより、超高速動作と省電力を実現する。

光信号処理の研究の一例として松浦研究室は、オランダのアイントホーヘン工科大学と共同で超高速の波長変換を実現しました。一秒間に三百二十ギガビットの速度で光信号の波長を変換してみせています(図4)。

図4 光信号処理の例(超高速の波長変換)。量子ドット半導体やフィルタ、偏光素子などで光信号処理回路を構成した。

災害に強い通信システムを構築する

過去、光ファイバ通信の研究はどちらかと言えば、最高速記録の更新に力が置かれてきました。人類が扱うデータの総量は時間の経過とともに増え続けると想定されていますので、最高速を追求する研究は今後も重要です。ただし、最高速以外の方向も将来は重要になると、松浦さんはみています。その一つが先ほど述べた、災害に強い通信技術です。
現在の携帯電話システムでは、アンテナ基地局で端末(スマートフォンや携帯電話機など)との無線通信を扱い、アンテナ基地局と制御局の間は光ファイバ通信でデータをやり取りしています。制御局は災害などによる停電に備えた電源装置を持っています。しかしアンテナ基地局はコストの制約から、停電に備えた設備を持っていません。例えば何らかの災害によってアンテナ基地局への電力供給が停まると、アンテナ基地局付近では携帯電話システムが利用できなくなる恐れがあります。
そこで松浦研究室では、光ファイバを利用して電力をアンテナ基地局に供給する研究を進めています(図5)。制御局からアンテナ基地局に、レーザー光で光ファイバを介して電力を送ります。光ファイバは信号伝送と電力伝送を兼ねることになります。信号伝送に使うレーザー光と、電力伝送に使うレーザー光は波長が違うので、干渉が起こりません。信号の伝送と電力の伝送を完全に独立して制御できるという利点があります。
ただし、光ファイバを使ってアンテナ基地局に電力を送り、アンテナ基地局で電力として供給することまで考慮すると、いろいろな技術課題を解決しなければなりません。そこでこのテーマに関し、松浦研究室では企業との共同研究を強く望んでいます。

図5 災害に強い携帯電話システムを構築する。携帯電話システムのアンテナ基地局は、災害によって電力供給が止まると動かなくなってしまう。これに対して制御局は停電対策がなされている。そこで制御局とアンテナ基地局を結ぶ光ファイバを通じて、制御局からアンテナ基地局に電力を光で供給する。

実験による体験とアイデア出しを重視

松浦研究室では、光信号の回路を実際に構築し、実験することで最先端の光ファイバ通信技術を「体験する」ことを重視しています。ここで重要なのは、幅広い視野で既存の要素技術を探索し、選択し、組み合わせることです。一見すると無関係な複数の要素を結びつけることで新たな利用価値を見い出す。このためには異なる複数の技術を学ぶ必要があると松浦さんは語ってくれました。
また研究では、高校までの受験や考査などと違い、唯一無二の正解などというものは存在しません。研究テーマを提案したり、研究の課題を取り除いたりする過程では、とにかくアイデアを一本でも多く出すことが大切です。数多くのアイデアをひねり出して検討し、そのほとんどすべてを捨て去ることで初めて、新しいテーマや解決手段などを生み出せます。間違いを気にせずにアイデアをどんどん出せる学生を育てたい、と松浦さんは考えています。
【取材・文=福田昭】

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