ETH-Zurich､ラストマイル向けにミリ波を直接光に変換

December, 26, 2018, Zurich--ETH-Zurichの研究チームは､ミリ波によるデータ伝送を光ファイバ用に直接光に変換する変調器を開発した｡
　光波の発振周波数は高いので､新開発の変調器は高速データ伝送に最適になる｡データは､光ファイバで伝送され,簡単に数Gbpsが可能になる｡中央局光ケーブルから家庭のインターネットソケットまでの｢ラストマイル｣は､最も難しく高価である｡代替の中には､例えば4/5Gモバイルのように安価なものはあるが､ストリーミングTVのような､今日のデータハングリーなアプリケーションに必要となる､高い伝送レートを全てのユーザに同時提供できない｡

ETH-Zurichの電磁場研究所教授､Jürg Leuthold氏の研究チームは､シアトルのワシントン大学の研究者のサポートを得て､新しい光変調器を開発した｡これは､将来的にラストマイルを効率的に､高周波マイクロ波(ミリ波)の低コストで､カバーする｡すなわち,大容量伝送を可能にする｡

光強度の変動により光ファイバにエンコードされたデータをミリ波で伝送するには､非常に高速､高価な電子コンポーネントが必要になる｡反対に､ミリ波はまずアンテナで受信され､次に増幅され,ベースバンドに落として､最終的に光変調器に注入される｡すなわち､無線波のデータを光パルスに戻す｡

研究チームは､バッテリーやエレクトロニクスなしで動作する光変調器の作製に成功した｡｢われわれの変調器は､外部の電力供給とは完全に独立である｡そのうえ､原理的にどんな電柱にもマウントできるほとに非常に小さい｡そこから､個々の家庭からのマイクロ波信号を介してデータを受信でき､それらを直接光ファイバに送り込める｣とYannick Salamin氏は説明している｡同氏は､その新しい変調器の開発で中心的な役割を果たした｡

ETH-Zurichの作製した変調器は､1㎜以下のチップで構成されている｡チップにはマイクロ波アンテナも含まれる｡そのアンテナが､ミリ波を受信し､それを電圧に変換する｡電圧は､チップ中央の薄いスロットに作用する､これが変調器の実際の心臓部である｡スリットは､数µm長､幅は100nm以下であり､電界に特に感度のある材料で満たされている｡ファイバからの光ビームがそのスリットに送り込まれる｡しかし､スリット内部で光は､もはや電磁波としてではなく､プラズモンとして伝播する｡プラズモンは､金属表面に､電磁場と､電荷振動からできたハイブリッドである｡この特性により､プラズモンは､光波よりも遙かに強く閉じ込められる｡
　スリット内部の電気的に感度(非線形)がある材料は､アンテナによって生ずる最小電界でも､プラズモンの伝播に強く影響を及ぼすことを保証する｡プラズモンがスリット端で変換されて光波に戻るとき､波の振動位相への影響は､維持される｡こうして､ミリ波に含まれるデータビットは,直接光波に送り込まれる､エレクトロニクスを介して迂回することなく､外部パワーも必要ない｡60GHzのマイクロ波信号によるラボでの実験で､研究チームは､5mのファイバで10Gbpsまでの伝送レートを実証することができた｡1mでは20Gbpsであった｡

微小サイズと無視できる程度のエネルギー消費の他に､新しい変調器は多数の利点をもっている｡｢ミリ波から光波への直接変換は､周波数と正確なデータエンコーディングフォーマットに関して､この変調器を特に多様にする｣とLeuthold氏は強調している｡実際､その変調器は､新しい5G技術にすでに適合している｡また､ミリ波とテラヘルツ周波数300GHz､100Gbpsまでのデータ伝送レートをベースにした将来の産業基準にも適合している｡さらに､同変調器は標準的なシリコン技術で製造可能であり､比較的低コストである｡
さらに､Leuthold氏は､関連の電磁放射を心配するユーザを安心させる｡無線､Wi-Fiモデムのマイクロ波とは違い､これらは全方向に一様に伝播するが､ミリ波は外部への伝送に強く集中でき､屋根のアンテナと20㎝径のビーム内部のライトポール間のみで伝播する｡これは､他のワイヤレス技術と比べて､伝送に必要な電力を著しく下げる｡また､Wi-Fiモデムに一般的な､信号が互いに邪魔し合う問題もなくなる｡
(詳細は､https://www.ethz.ch)