Creation of direct demultiplexing method and circuit in THz-domain for THz-wave OFDM sub-carrier channels

• Project/Area Number: 22H00219
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 瀧口 浩一 立命館大学, 理工学部, 教授 (70633254)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野坂 秀之 立命館大学, 理工学部, 教授 (60524121)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,210,000 (Direct Cost: ¥31,700,000、Indirect Cost: ¥9,510,000); Fiscal Year 2025: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2024: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2023: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000); Fiscal Year 2022: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000)
• Keywords: THz帯無線通信 / OFDM通信 / THz帯領域直接信号処理 / 干渉計 / 集積回路

Outline of Research at the Start

ミリ波と光波の中間のTHz帯は、従来の無線通信用周波数帯（マイクロ波、ミリ波）より格段に高周波、広帯域であり、次世代の6G（第6世代移動通信システム）以降の無線通信で必要な数100 Gbit/s級の容量を実現可能な周波数帯である。THz帯通信の大容量化に資する高周波数利用効率の多重化手法である直交周波数分割多重（Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM）通信のチャネル分離技術として、処理速度に限界があり消費電力の大きい従来の電気信号処理から発想を変え、THz波の波動性を用いたTHz帯領域直接の高速実時間・低消費電力の手法・回路を開拓する。

Outline of Annual Research Achievements

THz波用干渉計からなるTHz帯OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM）信号チャネル分離用フーリエ変換回路について、バルク素子を用いた構成での実現を完了し、THz波回路での実現に目処をつけることを目指した。具体的には、以下の内容を実施した。
(1) マイケルソン型干渉計（Michelson Interferometer: MI）構成のTHz波フーリエ変換回路を、バルク素子で構築し、THz帯可変容量周波数分割多重信号（300 GHz帯、2 x 4 Gbit/s ～ 4 x 8 Gbit/s、周波数利用効率：0.32 ～ 0.64 bit/s/Hz）のTHz帯直接チャネル分離に初めて成功した。また、受信器の最適化によって、300 GHz帯OFDM信号（2 x 4 Gbit/s）のチャネル分離も行った。
(2) THz波OFDM信号チャネル分離回路の材料、構成について検討を行い、導波管を使用した干渉計構成が、現状実現可能で適切であるとの結論を得た。最適設計を行い、回路を作製中である。また、回路の測定評価系の構築を完了した。
また計画外の内容として、以下の成果を得た。
(3) 本研究で得た知見をモード分割多重光通信の進展にも生かし、プラスチック光ファイバを用いたモード群分割多重通信（1.55ミクロン帯での、低次・高次2モード群を用いた2 x 12.5 Gbit/s通信）を初めて実現した。また、本研究で得た知見を光集積回路の進展にも生かし、アレイ導波路格子型光フィルタペアと固定光遅延線アレイから構成される、超広帯域の集積型光波長分散スロープ補償回路（1.55ミクロン帯で帯域19.8 nmを有し、43 kmの分散シフトファイバの分散スロープを補償可能）を実現した。さらに、スラブスターカプラ型光フーリエ変換回路を主構成要素とする、可変容量光OFDM信号（10 x 10 Gbaud ～ 2 x 50 Gbaud）のアド／ドロップ処理用の10 x 10集積型光フィルタを実現した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2023年度の計画の中で、THz波OFDM信号チャネル分離回路の作製は完了していないが、当初の計画外の内容として、新たな光信号処理技術・回路（プラスチック光ファイバを用いたモード群分割多重通信、超広帯域の集積型光波長分散スロープ補償回路、可変容量光OFDM信号のアド／ドロップ処理用集積型光フィルタ）の実現などの関連成果が得られたため。

Strategy for Future Research Activity

これまでの検討結果、成果を基に、2024年度には以下の内容を実施する。
(1) THz波OFDM信号チャネル分離回路の作製、特性評価を完了し、THz帯OFDM信号のチャネル分離に適用する。
(2) 可変容量THz波OFDM信号用のチャネル分離回路の検討（最適設計、作製）に着手する。
(3) 可変容量THz波OFDM信号用チャネル分離回路の測定評価が可能となるように、実験系の改良に着手する。
また、成果の英文論文化が遅れ気味であるので、論文化を加速する。

Research Products

• [Journal Article] Mode group division multiplexing communication with the use of graded-index plastic optical fiber (2024)
  • Author(s): Y. Takimoto, K. Takiguchi
  • Journal Title: IEICE Electronics Express Volume: 21 Issue: 5 Pages: 20230472-20230472
  • DOI: 10.1587/elex.21.20230472
  • ISSN: 1349-2543
  • Year and Date: 2024-03-10
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Integrated-optic tunable filter for add/drop multiplexing of variable-capacity optical OFDM signal (2024)
  • Author(s): K. Takiguchi, Y. Furukawa
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 12889 Pages: 66-66
  • DOI: 10.1117/12.3000577
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integrated-optic chromatic dispersion compensator with completely passive operation and wide operational bandwidth (2023)
  • Author(s): K. Takiguchi
  • Journal Title: OPTICA Optics Continuum Volume: 2 Issue: 12 Pages: 2529-2539
  • DOI: 10.1364/optcon.507212
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Integrated-optic chromatic dispersion slope compensator with wide operational bandwidth (2023)
  • Author(s): K. Takiguchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 12682 Pages: 3-3
  • DOI: 10.1117/12.2675687
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integrated-optic chromatic dispersion compensator composed of arrayed-waveguide gratings and delay lines (2023)
  • Author(s): K. Takiguchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 12425 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1117/12.2647665
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pulse amplitude modulation wireless communication in 300 GHz-band employing integrated-optic interferometer-based signal emulator (2022)
  • Author(s): K. Takiguchi and N. Nishio
  • Journal Title: OPTICA Optics Continuum Volume: 1 Issue: 8 Pages: 1741-1751
  • DOI: 10.1364/optcon.464097
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Spectrally efficient THz-wave communication using optical-domain or direct THz-domain reception signal processing (2024)
  • Author(s): K. Takiguchi
  • Organizer: International Congress and Expo on Optics, Photonics and Lasers (EUROPL) 2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Flexible capacity wireless communication in THz-band with Michelson interferometer-based THz-wave filter (2024)
  • Author(s): K. Takiguchi
  • Organizer: Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC) 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイケルソン干渉計型THz波フィルタを用いた可変容量THz帯通信 (2024)
  • Author(s): 瀧口浩一
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] 擬似正弦波回路を用いた低消費電力DDS (2024)
  • Author(s): 永田康喜, 野坂秀之
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] 位相制御線形化技術を用いたB5Gフェーズドアレーアンテナのための高線形ベクトル合成型移相器 (2024)
  • Author(s): 今西蓮, 野坂秀之
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] B5G/6Gのためのバーニア抵抗網によるデジタル線形制御可能なベクトル合成型移相器 (2024)
  • Author(s): 今西蓮, 野坂秀之
  • Organizer: 電子情報通信学会マイクロ波研究会
• [Presentation] DDS-based multiphase local oscillator generator for fast-beam-switching phased-array antennas (2024)
  • Author(s): S. Inaguma, K. Nagata, H. Nosaka
  • Organizer: IEEE Radio & Wireless Symposium (RWS) 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 完全受動型広帯域集積波長分散補償器と光 PAM4 信号の波長分散補償への適用 (2023)
  • Author(s): 正木秀明, 瀧口浩一
  • Organizer: 電気関係学会関西連合大会
• [Presentation] 光領域受信信号処理を用いた高周波数利用効率・大容量 THz 帯無線通信 (2023)
  • Author(s): 瀧口浩一
  • Organizer: 電気関係学会関西連合大会
  • Invited
• [Presentation] Mode group division multiplexing communication using graded-index plastic optical fiber (2023)
  • Author(s): Y. Takimoto, K. Takiguchi
  • Organizer: IEEE Photonics Conference (IPC) 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 簡易信号処理を用いた大容量THz帯PAM4通信の実現 (2023)
  • Author(s): 石原亘, 瀧口浩一
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] Fast-Phase-switching vector sum phase shifter using digital quadrature splitter (2023)
  • Author(s): A. Kobayashi, R. Imanishi, H. Nosaka
  • Organizer: Asia-Pacific Microwave Conference (APMC) 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A ROM-less DDS using pseudo-sine generator (2023)
  • Author(s): K. Nagata, H. Nosaka
  • Organizer: European Microwave Conference (EuMC) 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fast-phase-switching current-mode phase shifter for beyond 5G phased array antenna (2023)
  • Author(s): A. Kobayashi, R. Imanishi, H. Nosaka
  • Organizer: European Microwave Conference (EuMC) 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ディジタル制御可能な高線形ベクトル合成型移相器 (2023)
  • Author(s): 今西蓮, 野坂秀之
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 単一電流スイッチアレイによる自己調整二段階積分を用いたDDS (2023)
  • Author(s): 澁江春希, 野坂秀之
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 光OFDM信号アド/ドロップマルチプレクサ用多入出力集積型光フィルタ (2023)
  • Author(s): 古河大和, 瀧口浩一
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] Fully passive integrated-optic chromatic dispersion compensator and its use to PAM4 signal compensation (2023)
  • Author(s): K. Takiguchi
  • Organizer: OFC2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrated-optic chromatic dispersion compensator composed of arrayed-waveguide gratings and delay lines (2023)
  • Author(s): K. Takiguchi
  • Organizer: Photonics West 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A ROM-less DDS with single current-switch array using self-adjusting two-step integrator (2023)
  • Author(s): H. Shibue and H. Nosaka
  • Organizer: RWS2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光ゲートを除去した集積型光フーリエ変換回路を用いた光OFDM信号分離実験（Ⅱ） (2022)
  • Author(s): 神戸時男, 西原大賀, 瀧口浩一
  • Organizer: 電気関係学会関西連合大会
• [Presentation] 時間・波長領域2次元符号化用の集積型光信号暗号化回路 (2022)
  • Author(s): 瀧口浩一, 正木秀明
  • Organizer: 電気関係学会関西連合大会
• [Presentation] 非対称マッハツェンダ干渉計型集積光PAM信号エミュレータを用いたTHz帯PAM4通信 (2022)
  • Author(s): 西尾望, 瀧口浩一
  • Organizer: 電気関係学会関西連合大会
• [Presentation] THz帯マルチキャリア信号のTHz領域直接分離手法 (2022)
  • Author(s): 瀧口浩一, 西尾望
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] Spectrally efficient THz-wave multi-carrier wireless communication using THz-domain Fourier transformation-type demultiplexer (2022)
  • Author(s): K. Takiguchi and N. Nishio
  • Organizer: CLEO Pacific Rim 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrated-optic signal cipher circuit using two-dimensional code (2022)
  • Author(s): K. Takiguchi and H. Masaki
  • Organizer: OECC/PSC
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PAM4 wireless communication in 300 GHz-band using integrated-optic PAM signal emulator (2022)
  • Author(s): K. Takiguchi
  • Organizer: CLEO2022
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 立命館大学 理工学部 電気電子工学科 瀧口浩一
  • URL: https://research-db.ritsumei.ac.jp/rithp/k03/resid/S000982
• [Remarks] 立命館大学 理工学部 電気電子工学科 野坂秀之
  • URL: https://research-db.ritsumei.ac.jp/rithp/k03/resid/S002373