光学メタサーフェスを用いた高速光受信器の新規構造を発表 NICT、東京大学、浜松ホトニクス

情報通信研究機構（NICT）は2023年5月17日、東京大学の研究グループ、浜松ホトニクスと共同で、高速光受信器の新規構造を発表した。光の波長よりも小さな微細構造からなる光学メタサーフェスを用いることで、垂直に入射された信号光を偏波成分ごとに分岐すると同時に受光器アレイに集光し、高速に検出できることを初めて実証した。

クラウドやAIサービスの普及によって、データセンター内の通信量が増大し続けており、高速な光トランシーバが必要とされている。また、次世代移動通信システムであるBeyond 5Gにおいても、無線基地局間をつなぐ光アクセス網を流れる情報トラフィックが大幅に増大すると予測されている。こうした要求に応えるため、データセンターや光アクセス網に、大容量のデータを効率良く伝送できるコヒーレント光通信方式やセルフコヒーレント光通信方式の導入が考えられている。しかし、セルフコヒーレント光信号の受信には、複雑な光回路を要することから、大量に短距離のネットワークに導入するには大きさやコスト面の問題がある。さらに、大容量化に向けて多数のチャンネルを集積することが求められるが、従来構造では1次元方向に並べるしかなく大規模並列化も困難だった。

こうした課題を解決するため、従来構造とは異なり、コンパクトな光学メタサーフェスを用いた偏波受信器を考案。実験的に高速な光信号を受信できることを実証した。光受信器は、適切に波長以下の構造からなる光学メタサーフェス素子を設計することで、垂直に入射された光を6つの偏波成分に分岐し、それぞれ異なる位置に集光する。高速な受光器アレイを集光面に配置することで、光の偏波情報を高速に検出できる。

この光受信器は、多数の光学部品や複雑な光回路を必要としないため、超小型となる。また、全領域の直径が2mm、厚さが約0.5mmの薄い光学メタサーフェス素子を1枚挿入するだけで、強度のみならず光の偏波情報も高速に検出できる。

今回は直径2mmのメタサーフェス素子を実証したが、専有面積は焦点距離を短くすることでさらに縮小できる。その結果、2次元アレイ状に高密度に並べることで、並列化した超小型かつ大容量の光受信器が実現できる。将来のデータセンターやBeyond 5Gネットワークで大量に必要となるテラビット級の光トランシーバを安価に実現する有効な手段となる。

光学メタサーフェスを用いた高速光受信器の新規構造を発表　NICT、東京大学、浜松ホトニクス