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Development of MIMO signal processor for analog RoF using optical phase control techniques

Research Project

Project/Area Number 22K14295
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

佐藤 孝憲  北海道大学, 情報科学研究院, 准教授 (60835809)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords光ファイバ無線 / シリコンフォトニクス / 光導波路デバイス / 光集積回路 / 次世代移動通信システム / ビームフォーミング / MIMO処理 / 光ファイバ通信 / 光無線
Outline of Research at the Start

第6世代移動通信システム(6G)で実装予定であるアナログ光無線(RoF)技術のための、RoF信号処理デバイスを開発する。本提案デバイスは、単一のRoF信号(無線信号により変調された光信号)に対して、キャリア成分と上下側波帯成分に適切な光位相制御を施すことで、無線信号の位相を制御できるという動作原理に基づくものである。光行列積演算回路を用いて、複数のRoF信号を同時に制御することで、複数波長の光源を用意することなく、ビームステアリングやビームフォーミングといったMIMO信号処理を行うデバイスを開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、Beyond 5G/6Gにおける無線基地局のビームステアリング技術やビームフォーミング技術で必要とされるような、A/D変換不要なアナログRoF信号のMIMO処理デバイスの開発を目的として、光導波路素子の設計に取り組んできた。
令和5年度は、ビームフォーミングにおける出射特性に対応する光行列積演算回路素子の検証を行った。昨年度までに試作された2×2および4×4のユニタリ変換素子の検証を行ったが、光パワー分岐素子と光位相シフタの制御が所望の動作とならなかったため、回路構成の再設計を行った。特に、各単体試作素子をモジュール化してそれらを連結させることで、アナログRoF信号のMIMO処理の実験実証を進める計画であったが、光モジュールにおける位相誤差の時間変動が大きく、一体集積の必要性が浮き彫りとなった。現在、この光入出力特性の時間変動について原因究明にあたるとともに、この時間変動を補償する機構についても検討中である。
また、本年度は各素子の製造誤差がビームフォーミング性能に与える影響について検討した。ユニタリ行列変換回路素子に含まれる3dB光分岐素子の製造誤差が発生した場合、光パワー分岐素子と光位相シフタの制御が理想的に動作した場合でも、ビーム制御が不完全となることが予想される。しかし、伝達行列解析による数値検証結果によれば、シリコンフォトニクス作製技術で発生し得る±10nm程度の導波路幅誤差が生じた場合でも、ビーム出射角誤差は1度以下の誤差におさまり、他のビームへのクロストークも-40dB以下と極めて低い値をとることがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

提案デバイスの主な構成要素は「光波長フィルタ」「光行列積演算回路」の2つであるが、光波長フィルタは実験実証まで進められたものの、光行列積演算回路の実験実証には未だ至っていない。特に、光行列積演算回路の試作依頼先でのトラブルがあり、試作結果のフィードバックが半年以上遅れているため、当初検討していたデバイス構成の再検討、および、素子試作に関する抜本的な方針転換が必要であると考えている。

Strategy for Future Research Activity

まずは、単純な2×2 MMI素子と遅延導波路によるマッハツェンダ回路を用いて2×2行列積ビームフォーミング制御を実験的に確認することを目標とし、その後、演算次数の拡大に向けて設計・試作・実証を進めていく。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (4 results)

All 2023 2022

All Presentation (3 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Presentation] 光ユニタリ変換器を用いたアナログRoFビームフォーミングにおける製造誤差による特性劣化に関する調査2023

    • Author(s)
      宍倉 広規, 佐藤 孝憲, 藤澤 剛, 齊藤 晋聖
    • Organizer
      2023年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 光波長フィルタと光ユニタリ変換器を用いたアナログRoF用光制御ビームフォーミング2022

    • Author(s)
      佐藤 孝憲, 藤澤 剛, 齊藤 晋聖
    • Organizer
      2022年電子情報通信学会ソサイエティ大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 電子デバイスと光デバイスの融合に向けて2022

    • Author(s)
      佐藤 孝憲
    • Organizer
      第8回北大・部局横断シンポジウム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] MIMO信号処理デバイス及び光無線通信システム2023

    • Inventor(s)
      佐藤 孝憲
    • Industrial Property Rights Holder
      佐藤 孝憲
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2023
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Overseas

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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