NECはこのたび、東北大学未来科学技術共同研究センター(NICHe:New Industry Creation Hatchery Center)の川上 彰二郎教授のグループと共同で、フォトニック結晶(注1)を用いて、現行の光通信信号伝送方式であるWDM方式(注2)に対応した光合分波器を開発し、同合分波器による光合分波伝送実験に世界で初めて成功しました。
今回開発した光合分波器の波長分解能は、2nm以下の波長間隔で高密度に光信号を多チャンネル化するDWDM方式の仕様を満足しており、現行の光通信方式に適用可能な性能を有しています。今回の成果は、NECのデバイス設計技術と東北大学のフォトニック結晶作製技術との融合により実現しました。
このたび開発した合分波器の特長は、以下の通りです。
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フォトニック結晶を用いた光通信用デバイス(合分波器)で、高密度多チャンネル伝送方式のチャンネル間隔2nmに対応する分波特性を実現。この合分波器を用いて、送信信号を4波のWDM信号に合波し、10Gbpsで100km伝送後、再び分波するという伝送実験を行い、正確な情報伝送ができることを実証。 |
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東北大NICHeが独自に開発したフォトニック結晶作成技術(自己クローニング法:注3)を使用し、パターンを形成したSi基板上にTa2O5とSiO2を交互に積層することで、光合分波器のシンプルな作成工程を実現。 |
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NECの設計・解析技術により、光を合分波する際に本合分波器の導波路から光が漏れにくいピラミッド型のフォトニック結晶格子構造を開発し、内部での損失や分波効率などの素子特性を大幅に改善。 |
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PLC(注4)など光通信に使用されている従来の合分波器と同程度の機能を有したままチップ面積を約1/100に縮小でき、作製工程のシンプルさと共に、集積化によりコスト低減が可能。また、装置全体の小型化が可能になることから省スペース、省電力、保守点検の簡素化も可能。 |
近年、ブロードバンドサービスの急速な普及に伴い、光ネットワークを流れる信号量も爆発的に増加しています。特に、大都市圏を中心に張り巡らされたメトロ系ネットワークの中継点では、基幹系から流れ込む大量のデータの処理が集中するため、そこがボトルネックとなって全体の通信速度向上に支障をきたす、という問題が生じています。ネットワークの通信速度は、その中継点であるノード装置の処理能力によって決まるため、この問題を解決するためには、ノード装置の処理性能向上が必要です。しかし、現状のノード装置は電子部品に比べ光部品の集積化がほとんど進んでおらず、個々の光部品を接続して組み立てるので大型・高コストとなり、ネットワークに使用できるノード装置の数が限られていました。
フォトニック結晶は、従来のPLCなどによる光集積化技術とは異なり、ナノサイズの小さな光導波路にも光を強く閉じ込めることができるため、細かい光の回路パターンを作製でき、多機能化・小型化を実現できる本格的な光集積化技術として内外の研究機関で盛んに研究されています。しかし、従来はその物理的な特性を確認するだけで、挿入損失や分波効率など、実用システムに要求される性能を有するフォトニック結晶合分波器は実現していませんでした。
NECはかねてから、文部科学省の科技技術振興調整費による助成を受け、フォトニック結晶による実用的な光部品および光集積回路の研究開発を進め、このたびの成果に至りました。今回開発した合分波器は、チャネル切り出し幅2nmという性能に加え、分波効率や挿入損失など、合分波器としてのトータルな性能面で現行の光通信信号伝送システムに使用できることを実証しました。
本合分波器は、光通信ネットワークとノード装置の基本機能を担うものです。従来品に比べて、面積比で約1/100の小型化と、簡素な作製工程による低コスト化が期待できるため、ノード装置の小型化・低コスト化・省電力化をはじめ、保守点検の簡素化も実現でき、ブロードバンドインターネット接続サービスの低価格化や、大容量光通信網の構築に貢献します。
このたびの開発は、フォトニック結晶による本格的な高密度光集積回路の実現に向けた大きなブレークスルーとなります。NECでは、今回の成果が、来るべきユビキタス社会を支える通信インフラ構築に大きく貢献するものと考え、早期の商用化を目指して研究開発を継続していく計画です。
なお、今回の成果は、2月22日から27日まで、米国カリフォルニア州ロサンゼルスで開催される光ファイバー通信の国際会議「OFC2004(Optical Fiber Communication Conference & Exposition)」において、26日に発表します。
本研究は文部科学省 科学技術振興調整費の助成を受けて行いました。
| （注1） |
フォトニック結晶
屈折率が異なる2種類以上の物質を、光の波長程度のサイズで2次元あるいは3次元周期的に配列させた人工的な光学材料で、その中での光の伝搬や局在を自在に制御できるため、光デバイス等への様々な応用が期待されている。例えば、超低電流で動作する半導体レーザや、超小型で高分解能の光分波器、超小型で低駆動電力の光スイッチ等の光デバイスや、それらによる微小光回路が実現できる。 |
| （注2） |
WDM
光通信において、複数の信号(チャンネル)を光の波長領域で多重化して伝送する方式のこと。多重化する際の波長間隔が2nm程度よりも狭い場合を、高密度波長多重(DWDM)という。 |
| （注3） |
自己クローニング法
東北大 川上教授が考案したフォトニック結晶の作製方法。凹凸パターンを形成した基板上に屈折率の低い材料と屈折率の高い材料を交互に積み重ねて行く方法で、基板の凹凸パターンが、その上に積層する膜に転写されながら何層も積層できることにより、フォトニック結晶構造を形成できる。 |
| （注4） |
PLC
石英系光導波路による光回路技術。これを用いたAWGなどの通信用光部品や光回路が既に実用化されている。 |
