マイクロ光コムを用いたテラヘルツ通信に成功

これまでの移動（無線）通信（2G/3G/4G/5G）では、主に電気的手法（エレクトロニクス）の技術革新（高周波化）が、世代進化を牽引してきました。しかし、6Gで扱う周波数帯（テラヘルツ帯、周波数300 GHz以上）は、電気的手法の技術的限界（周波数上限）に達する可能性があり、実際、超高周波信号の低出力化や低品質化、信号伝送損失の増大といった本質的問題が顕在化し始めています（図1①）。このような現状を打破するためには、「エレクトロニクスの周波数上限を超えたパラダイムシフト」が強く求められています。一方、6Gは、光通信と無線通信の伝送速度ギャップを大きく緩和する可能性を有しますが、両者間には光技術と電気技術の相違に起因する技術ギャップが存在し、光信号と電気信号の変換に伴う時間遅延が生じます（図1②）。6Gの超高速性を活かしながら汎用性を担保するためには、「光通信と無線通信のシームレス接続」が強く求められます。

これら2つの技術課題は、無線通信においてエレクトロニクスを利用していることに起因していますので、もしエレクトロニクスの代わりに光学的手法（フォトニクス）を利用した6Gが実現できれば、本質的に解消できると考えられます。このような考えに基づき、本研究グループは、マイクロ光コムをコア技術としたオール光型テラヘルツ通信（Photonic 6G）に関する研究を行っています。

本研究では、6Gキャリア周波数と同等な超高周波光電気周波数信号（近赤外光）を生成可能なマイクロ光コムを用いて、テラヘルツ波を発生させました（図2）。等間隔で複数の光周波数モード列が立ち並んだマイクロ光コムから、隣接した2モードを光フィルターで抽出すると、時間領域では光ビート信号が生成され、そのビート周波数は、マイクロ光コムのモード間隔（=f_rep）に一致します。この光ビート信号を、光/電気変換素子（今回は単一走行キャリア・フォトダイード）に入射すると、ビート周波数に厳密に等しい周波数を有するテラヘルツ波を発生させることができます。マイクロ光コムのモード間隔（=f_rep）は周波数および位相が極めて安定であり、単一走行キャリア・フォトダイードはマイクロ光コムの高安定性を損ねることなく光/電気変換を行うので、極めて高品質なテラヘルツ波を得ることができます。ここで、抽出した隣接２モード光の一方に対して、伝送情報を光変調器で重畳させると、発生したテラヘルツ波が変調されることになります。今回は、毎秒2ギガビットで On-Off-Keying（OOK）振幅変調されたテラヘルツ波（周波数560 GHz）を用いて無線通信実験を行いました。

図3(a)は、マイクロ光コムを用いて生成した超高周波光電気周波数信号の光スペクトルを示しており、近赤外の波長1550 nm帯においてモード間隔560GHzで複数の光モード列が立ち並んでいる様子が確認できます。ここで、マイクロ光コムの個々のモード列の周波数間隔は一定であり、かつ位相も完全に同期しています。図3(b)は、発生したテラヘルツ波のスペクトルを示しており、その周波数はマイクロ光コムのモード間隔と厳密に一致しています。次に、OOK振幅変調されたテラヘルツ波を、空間伝播させた後、テラヘルツ検出器で受信することにより、データ伝送実験を行いました。図3(c)は、受信した信号の時間波形（アイ・パターン）を示しており、時間波形信号の中央部分にeye状の空間が観測できることから、データ伝送実験に成功したことを確認しました。

今回は非制御状態のマイクロ光コムを用いてテラヘルツ波を発生させましたが、この手法の最大の特徴は低位相ノイズ性ですので、今後は安定化制御されたマイクロ光コムを用いて超低位相ノイズのテラヘルツ波を発生させ、その優位性を活かしたテラヘルツ通信（例えば、位相変調と振幅変調を組み合わせた直交振幅変調など）の実現を目指す予定です。