2022 Fiscal Year Annual Research Report
Innovative Photonic Computing using Advanced Optical Modulation
| Project Area | Photonic Computing Highlighting Ultimate Nature of Light |
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| Project/Area Number |
22H05196
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
川西 哲也 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (40359063)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
坂本 高秀 東京都立大学, システムデザイン研究科, 准教授 (70392727)
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| Project Period (FY) |
2022-06-16 – 2027-03-31
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| Keywords | 光波制御 / 光変調 / 信号処理 / 光伝送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
極限的な精度と高速性を兼ね備える光波制御とそれを用いた革新的な光演算機能ブロックの実現を目指して、高精度光変調技術およびこれを用いた伝送システムについての基礎検討を行った。光通信システムの基本構成は光位相変調と光ファイバ、光子数を電流に変換する光検出器からなるが、各部の入出力に対して特徴的な数学的構造を有する。変調器出力に関しては、光入力は線形性をもつ一方で、変調信号入力に対してはベッセル関数で表される非線形性を有する。他方、光波進行方向に対して位相変調は加法性をもつ。本研究では上記の特徴に着目し、光変調器における光波制御精度をさらに高め、さらなる多値化や新奇機能を実現することを狙いとした。また、光変調器＝ファイバ＝光検出器からなる基本構成、さらにはこれを帰還ループ化することによる発振器（光電気発振器）による複雑な信号発生や信号処理の実現を目指して、基本構成の検討を行った。物理的には一つのループであっても、上記の線形性・加法性を駆使することで複数の発振器を連動させることが可能である。また、その結合関係を光領域で高度に制御することが可能となる。光電気発振器は光および電気の入出力をもつために、電子回路によるデジタル処理との親和性も高い。フォトニック信号処理は高速性・広帯域性を有するが、外乱による比較的低速の特性変動が問題となることある。本研究では、FPGAベースの制御を帰還ループに適用し、安定化制御を確保するという手法も検討するが、今年度はFPGAベースおよびアナログ演算回路と、高精度光変調技術の組み合わせによる信号処理系の構築を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度は高精度光変調をベースとした信号処理、精密計測に関する研究に着手した。光電気発振器については基本構成の検討を行った。光変調器の状態を高精度に確定し、これを基準器として電気信号の位相を精密測定する方法を提案し、論文発表した。マッハツェンダー型干渉計を光集積回路内に構成したマッハツェンダー型光変調器（MZ変調器）が光通信システムにおいて広く用いられているが、この研究では、干渉計の状態を精密に制御することに成功している。
また、高精度変調の応用として、ノイズ源の研究も行った。レーザ内で発生する揺らぎを模擬する信号を任意波形発生装置、FPGAなどで発生させ、可変線幅の光源を実現するものである。狭線幅レーザで発生する安定したレーザ光に光位相変調を施すという構成である。基本動作の確認が終了し、こちらも論文発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
MZ変調器は電気光学結晶基板に形成された2つの光路をもち、電界を印加することで光位相差の制御を可能とする。オン状態とオフ状態での出力光の比を消光比と呼び、変調器の性能を表すとともに干渉計のバランスの良さ、精度を示す指標である。通常のデジタル変調では20dB以上あればよいとされているが、アクティブトリミング技術で70dB以上というこれまでの常識を覆すレベルの高消光比を実現している。以前より、光干渉計は様々な原因による光路変化を高精度にとらえるための技術として活用されており、重力波検出などの極限計測において大きな役割を果たしている。本研究では、このような極限技術をあらゆる場所で身近に利用するために、これまでにない精度の光干渉システムをコンパクトな集積デバイスで実現することを目指す。
光電気発振器は、光と高周波信号間で高速、広帯域にエネルギーがやりとりされる光、電子融合型発振器である。従来の研究では、優れた共振器閉じ込め（Q値）特性に着目し、高安定光発振器としての応用が探られてきた。しかしながら、回路構成や動作モードの工夫により、潜在的に、レーザの光振幅・位相揺らぎ、及び高周波発振器の振幅・位相揺らぎが複合的に絡み合う、複雑な発振動作を引き起こすことができる。光領域、電子領域双方において、振幅・位相変動はカオティックな挙動を示す。これらの変動は、ピコ秒オーダに迫る時間刻みを持つ超高速現象となる上、かつ、優れた持続性、すなわち秒から数年オーダの半永久的連続発振もできることも特徴的である。この超高速・超持続光電気発振器のダイナミックな振幅・位相変動に着目し、フォトニックコンピューティングへの応用を目指す。
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