世界初、テラヘルツ信号透過中継・スイッチング実証

2023 年 6 月 6 日

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情報通信研究機構 (NICT) による

情報通信研究機構の研究者らを含むチーム。 住友大阪セメント株式会社、 名古屋工業大学; 早稲田大学と早稲田大学は、高速テラヘルツ波信号をさまざまな場所に透過的に中継、ルーティング、スイッチングする世界初のシステムを共同開発しました。

285GHz帯の32Gb/sテラヘルツ波信号を光ファイバーに直接変換し、その透過中継と超短時間での異なるアクセスポイントへの切り替えを実証することに成功した。

キーテクノロジーには、テラヘルツ波信号を光信号に直接変換する新開発の低損失光変調器と、テラヘルツ信号の超高速スイッチングを実現する適応型ファイバーワイヤレス技術が含まれます。 開発されたシステムは、自由空間損失が大きい、浸透力が弱い、通信範囲が限られているなど、テラヘルツ帯域の無線通信の欠点を克服し、5Gおよび6Gネットワ​​ークを超えたテラヘルツ通信の展開への道を開きます。

この実証の結果は、2023 年光ファイバー通信国際会議 (OFC 2023) で締切後の論文として発表されました。

テラヘルツ帯域の無線周波数は、5G および 6G ネットワークを超えた超高速データ通信の有望な候補です。 275 ～ 450 GHz 帯域の 160 GHz スロットが、モバイルおよび固定サービス用に最近オープンされました。 しかし、高い自由空間損失と弱い透過性がボトルネックとして残り、屋外から屋内への長距離伝送や障害物のある環境では信号を伝送することが困難です。

これらの欠点を克服し、通信範囲を拡大するには、異なる場所間でのテラヘルツ信号の透過的な中継とルーティングが不可欠です。 しかし、これらの機能は現在の電子技術では実現できません。 さらに、テラヘルツ信号のビーム幅は狭いため、ユーザーが移動しているときに中断のない通信を実現することが困難になります。 異なる方向と場所の間でのテラヘルツ信号の切り替えは、エンドユーザーとの通信を維持するために重要です。

しかし、この重大な問題は、電子技術または光技術を使用してまだ解決されていません。 エネルギーを節約し、干渉を減らすために、適切な間隔でテラヘルツ信号の放射をオンまたはオフにすることも重要です。

この研究で、チームは、(i) 新たに開発された低損失光変調器と、(ii) 適応型変調器という 2 つの主要な技術を利用して、285 GHz 帯域のテラヘルツ信号の透過的なリレー、ルーティング、スイッチングを行う最初のシステムを実証しました。超高速波長可変レーザーを使用したファイバーワイヤレス技術。 このシステムでは、テラヘルツ信号が受信され、低損失光変調器を備えたテラヘルツ光変換デバイスを使用して光信号に直接変換されます。

波長可変レーザーからの光信号は変調器に入力され、波長ルーターを使用して、特定の波長が割り当てられているさまざまなアクセス ポイントに信号をルーティングします。 アクセス ポイントでは、変調された光信号は、光テラヘルツ コンバータを使用してテラヘルツ信号に変換されます。 テラヘルツ信号は、波長可変レーザーの波長を切り替えることで、異なるアクセス ポイントに切り替えることができます。

波長可変レーザーは独立して制御でき、テラヘルツ信号を同時に生成できるアクセス ポイントの数は、アクティブな波長可変レーザーの数と同じになります。 今回開発した技術を用いて、285GHz帯におけるテラヘルツ信号の透過中継とスイッチングの実証に初めて成功し、4直交振幅変調(QAM)による32Gb/sの伝送容量を達成した。直交周波数分割多重 (OFDM) 信号。

10μs未満でテラヘルツ波信号を切り替える可能性を評価し、テラヘルツ帯で途切れのない通信が可能であることを確認した。

このシステムは以下の主要な要素技術で構成されています。

テラヘルツ信号をさまざまな場所に透過的に中継および分配することにより、テラヘルツ帯域の無線信号の高い自由空間損失と透過損失を克服でき、通信範囲を大幅に拡大できます。 さらに、信号を異なる方向/場所に即座にルーティングして切り替えることで、障害物が発生したりユーザーが移動したりしても通信を維持できます。

さらに、アクセスポイントからのテラヘルツ波信号の発信を適切な間隔でON/OFFすることで、省電力化と干渉低減を実現します。 これらの機能により、提案されたシステムは、テラヘルツ波通信のボトルネックを克服し、5G および 6G ネットワークを超えた展開への道を開くための有望なソリューションとなります。

今後は、今回開発したテラヘルツ光変換デバイスやファイバー無線技術を研究し、更なる高周波化と伝送容量の向上を目指します。 また、ファイバー無線・テラヘルツ波通信システムに関する国際標準化・社会実装活動を推進します。