工学部 先進工学科(電気電子工学プログラム)

准教授

渡邉 俊夫

光に情報と夢をのせて

光ファイバーに情報を

実際の光ファイバー

 現在、インターネットやスマートフォンが社会で広く利用されるようになり、世界中が通信ネットワークでつながっています。このような通信ネットワークでは、多くの情報を短時間で遠距離まで伝えるために、光ファイバー(*1)が使われています。スマートフォンの場合でも、端末と基地局のアンテナの間はワイヤレスの電波で信号を送ったり受けたりしていますが、基地局と基地局との間で信号を伝えているのは光ファイバーです。光ファイバーは、髪の毛くらいの細さのガラスでできていて、それに赤外光(*2)を通すことによって、情報を伝えています。このような光ファイバーからなる通信ネットワークの情報伝送容量をいかに拡大していくか、それが私の研究テーマです。特に、情報量が大きくなると、光ファイバー1本あたりの伝送容量を増やすことだけでなく、伝送される信号を中継局で効率的に振り分けることも重要となってきます。例えて言えば、スムーズな交通を実現するためには、新幹線や高速道路を作るだけではなく、乗換ターミナルやインターチェンジを整備することも肝心ということです。そのためのキーデバイスが光スイッチ(*3)です。

光スイッチに夢を

光スイッチの動作の計算例

 光スイッチは、光ファイバーを伝送される光信号の行先を、外部からの制御信号によって切り替えるデバイスです。光スイッチにはさまざまな形式のものがありますが、そのうち、光導波路(*4)型の光スイッチは、熱光学効果(*5)などを利用して光信号の行先を切り替えるもので、多数の小さな素子を集積することができ、量産性や信頼性に優れるという利点があります。数年前まで私は、企業の研究所にて、光導波路型の光スイッチの研究開発に関わってきました。その中には、ROADMスイッチ(*6)やマルチキャストスイッチ(*7)など、現在、日本や海外の光ファイバー通信ネットワークで実際に使われているものもあります。このような光スイッチを高機能化して、将来の通信ネットワークの高度化に役立つような新しい光回路を生み出すことが私の夢です。その実現に向けて、今、鹿児島大学で研究室の学生たちと一緒に日々、研究に取り組んでいるところです。最近では、1つの素子で複数の出力に光信号を切り替えることができるアレイ導波路型光スイッチや、高密度の光ファイバーを用いた通信ネットワークにおける光スイッチの構成などについて、新しい知見が得られています。

用語解説

*1:光ファイバーとは、細長い糸状の物質の中心部(コア)の屈折率を周辺部(クラッド)より高くすることで、コアに光を閉じ込めて、光を伝送するものである。長距離の通信に用いられる光ファイバーは、高純度のシリカガラスを原料としていて、外径は0.125 mm、コアの直径は約0.01 mmである。

*2:可視光は電磁波の一種であり、その波長は約0.38 μmから約0.78 μmである。これより長波長で、波長1000 μm(1 mm)までの電磁波を赤外光という。長距離の光ファイバー通信では、波長1.55 μm付近の赤外光が用いられる。

*3:光スイッチとは、光信号を電気信号に変換することなく光信号のままで、その経路を外部からの制御信号によって切り替えるデバイスである。光スイッチには、光導波路型のほか、微小なミラーを用いたものや液晶素子を用いたものがある。

*4:光導波路とは、薄い板状の物質の中に、光ファイバーと同様の原理で光の経路を作り込んだものである。これにより、光を分岐・合流したり、干渉させたりする光回路が構成できる。一例として、シリコン基板上の厚さ数10 μmのシリカガラス膜に光導波路を形成した平面光波回路が実用化されている。

*5:熱光学効果とは、温度によって物質の屈折率が変化することである。シリカガラスの熱光学効果を用いた光導波路型の光スイッチの場合、微小ヒーターで光導波路を局所的に加熱すると、熱光学効果によって屈折率が変化して光の干渉状態が変わり、光の経路が切り替わる。切替時間は0.002 s程度である。

*6:ROADMスイッチとは、1本の光ファイバーで波長の異なる複数の光信号を一括して伝送するシステム(波長多重伝送システム)において、波長多重信号に任意の光信号を追加したり、任意の光信号を抜き出したりすることができるデバイスである。ROADMはReconfigurable Optical Add/Drop Multiplexerの略。

*7:マルチキャストスイッチとは、複数の入出力ポートをもつ光スイッチで、入力と出力の間を1対1に接続するだけでなく、1つの入力ポートからの信号を複数の出力ポートに分岐して出力することができる光スイッチである。これを逆向きに使えば、複数の入力ポートからの異なる光信号を1つの出力ポートに合流して出力できる光スイッチとなる。

Profile

工学部 先進工学科(電気電子工学プログラム)

准教授

渡邉 俊夫

1992年、東京工業大学大学院理工学研究科修士課程を修了。同年、日本電信電話株式会社(NTT)に入社。以来、光ファイバー通信に関する研究開発に従事。2001年、博士(工学)の学位取得。2016年、鹿児島大学に着任。現在の専門は、フォトニックネットワークシステム、光波工学。担当授業は「応用数学I及び演習」「ディジタル通信システム特論」ほか。

学生(受験生)へのメッセージ

 真空中で光は一直線に進みますが、境界面では反射や屈折が起こり、小さな穴を通れば回折によって広がります。さらに、物質中の電子との相互作用によって、伝播速度が変わったり、パワーが増幅されたりします。研究開発の道のりも決してまっすぐではないのですが、周りの人たちとも協力して、その成果が世の中で実際に使われて役に立つことは工学の研究者にとって一番の喜びです。皆さんもぜひ、工学の世界に触れてみませんか?

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