ポイント

■ ミリ波無線受信機の要素技術を二点開発し、ミリ波信号の光ファイバへの直接伝送に成功 

■ 「光・無線変換デバイス」と「ファイバ無線技術」の組み合わせにより実現 

■ Beyond 5G時代の無線アンテナ局の簡素化（低消費電力化と低コスト化）に貢献 

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長：徳田 英幸）、住友大阪セメント株式会社（住友大阪セメント、代表取締役　取締役社長：諸橋　央典）及び学校法人早稲田大学（早稲田大、理事長：田中　愛治）は共同で、2つの要素技術を組み合わせた新たなミリ波受信技術を開発し、周波数101GHz・毎秒70ギガビットを超える高速ミリ波無線信号を光ファイバに直接伝送することに成功しました。

　要素技術とは、新規開発の光・無線変換デバイスと、遠隔から光ファイバ光局発信号を送信するファイバ無線技術であり、ミリ波信号を光信号に直接変換する点が特徴です。

　本成果を利用すると、既存のミリ波無線受信機で利用されている電子デバイス（信号発生器など）が不要となり、ミリ波無線受信機の簡素化が期待でき、Beyond 5G時代に多数設置される無線アンテナ局の低消費電力化と低コスト化に貢献します。

　なお、本実験結果の論文は、光ファイバ通信国際会議（OFC2021）にて非常に高い評価を得て、最優秀ホットトピック論文（Post Deadline Paper）として採択され、現地時間2021年6月11日（金）に発表しました。

背景

　第5世代移動通信システム（5G）のサービスが開始され、ミリ波無線による毎秒10ギガビット以上の高速通信が実現される見込みです。一方、ミリ波の広帯域性から通信速度は向上しますが、高速な電子デバイスの実装が必要であり、無線送受信機そのものの消費電力が大きくなります。加えて、ミリ波帯信号は従来の第4世代移動通信システム等で利用されるマイクロ波帯のそれに比べて大気中の到達距離が短いため、多数の無線アンテナ局を設置する必要があり、無線アンテナ局の低消費電力化と低コスト化が望まれています。

　これまでNICTは、ファイバ無線技術と受光デバイスを研究開発して、光信号から無線信号へ変換する無線アンテナ局送信部の簡素化を実証しましたが、無線信号から光信号へ変換する受信部の簡素化が課題でした。

今回の成果

　今回、NICT、住友大阪セメント及び早稲田大は共同で、ミリ波無線受信機の要素技術を二点開発し、高速ミリ波無線信号を受信し、光ファイバへの直接伝送に成功しました。

　要素技術の一つ目は、共同開発した、無線信号を光信号へ変換する光・無線変換デバイスで、強誘電体電気光学結晶（ニオブ酸リチウム）を利用した高速光変調器です。結晶の厚さを従来比1/5以下である100μm以下とすることで、101GHzミリ波にも対応可能な高速性を実現しました。

　二つ目は、光・無線変換デバイスから発出される光信号を光ファイバに直接伝送するためのファイバ無線技術です。局発信号を遠隔の光局発信号発生器で発生させ光ファイバ伝送を行い、光・無線変換デバイスで生成される信号周波数を変換する技術を開発しました。本技術により、ミリ波無線信号を光領域で周波数変換できるようになりました。

　これらの開発した技術を組み合わせて、無線信号を光信号へ直接変換する構成を実現することができ、64QAM変調時に毎秒70ギガビットを超える高速ミリ波無線信号を光ファイバ信号へ直接変換する伝送システムを構築し、実証実験に成功しました。

　本成果を利用すると、ミリ波受信機内の消費電力が大きい電子デバイスが不要になり、構成の簡素化が期待できます。Beyond 5G時代では、多数設置される無線アンテナ局の低消費電力化と低コスト化等が期待されます。

図1 無線受信機の構成（アンテナ直径約16cm）

図2 既存技術と実証試験システムの比較

今後の展望

　今後は、今回基本技術を確立した光・無線相互変換デバイスとファイバ無線技術を活用し、Beyond 5G時代の無線システムに向けたさらなる高周波化、高速化及び低消費電力化を目指した技術検討を進めていきます。また、技術検討と並行し、無線通信システムに関する国際標準化活動ならびに社会展開活動を推進していきます。

　なお、本実験の結果の論文は、光ファイバ通信関係最大の国際会議の一つである光ファイバ通信国際会議（OFC2021、6月6日（日）～6月11日（金））で非常に高い評価を得て、最優秀ホットトピック論文（Post Deadline Paper）として採択され、現地時間6月11日（金）に発表しました。

役割分担

NICT：光・無線直接伝送技術の設計・技術開発・実証実験・標準化活動

住友大阪セメント：光・無線変換デバイス、高速光変調器の設計・技術開発・標準化活動

早稲田大学：光局発信号発生器、ファイバ無線技術の研究開発

採択論文

国際会議: 光ファイバ通信国際会議（OFC2021） 最優秀ホットトピック論文（Post Deadline Paper）

論文名: Transparent Fiber–Radio–Fiber Bridge at 101 GHz using Optical Modulator and Direct Photonic Down-Conversion

著者名: Pham Tien Dat, Yuya Yamaguchi, Keizo Inagaki, Masayuki Motoya, Satoru Oikawa, Junichiro Ichikawa, Atsushi Kanno, Naokatsu Yamamoto, Tetsuya Kawanishi