350 GHzを越えて：ソリトン・マイクロコムを用いた単一チャネル112 Gbps、560 GHzフォトニック無線伝送

なぜ将来の携帯機器は新しい“見えない”波を必要とするのか

携帯電話やワイヤレス機器はデータを大量に消費しますが、それらが使う電波は混雑しつつあります。本研究は現在のモバイル帯域よりずっと上のスペクトル領域を調べ、小型の光駆動チップがインターネットトラフィックを空中で十分高速に送信し、光ファイバーの一部を置き換えられるかを検証します。結果は、これらの小さなフォトニックエンジンがテラヘルツ波のあまり使われていない領域へ無線リンクを押し上げ、それでも毎秒1000億ビットを超えるデータを運べることを示しています。

今日の混雑した電波を越えて踏み出す

現在の5Gネットワークは主に28ギガヘルツ以下で動作しており、そこは周波数が混雑し、無線チャネルは比較的狭くなっています。将来の6Gシステムの要件を満たすために、研究者たちは約0.3〜1テラヘルツのテラヘルツ帯に注目しています。この帯域は非常に広くクリーンなスペクトルスライスを提供し、基地局間の超高速バックホールリンクを支える可能性があります。しかし周波数が高くなるほど空気中での信号減衰が強くなり、従来の電子技術では300ギガヘルツを大きく超える安定で低雑音な波を生成するのが困難です。そのため350ギガヘルツ以上の領域は、多くのサービスに割り当てられていないにもかかわらず、高速リンクにはほとんど使われてきませんでした。

光を用いて超高速の電波を作る

この高域に踏み込むため、チームはフォトニクス、つまり純粋な電子ではなく光を使って無線信号を作り出します。セットアップの中心にはシリコンナイトライド製のチップがあり、位相がロックされた多くの等間隔のレーザー色（“コム”）を生成します。このコムはチップ上の小さなリングを周回するソリトンと呼ばれる特別な光パルスによって生み出されます。二つの通常のレーザーダイオードはコムの隣接する二つの色に追従（ロック）させられます。これら二つのロックされたレーザーが非常に高速のフォトダイオード上で同時に光ると、そのわずかな色差がビートして安定した560ギガヘルツのテラヘルツ波を生成し、これをデータ搬送用の搬送波として用いることができます。

実運用に向けた小型光源のパッケージ化

この種のコムチップでの大きな実用上の障害は、ずれやすい大型の光学ベンチなしに光を入出力することでした。研究者らは、短い高開口数ファイバーとガラス支持体上のUV硬化接着剤を用いてファイバーをチップに直接ボンディングすることでこれを解決しました。このコンパクトなパッケージは数ミリメートル程度の大きさながらポンプ光力が1ワットでも耐えられ、結合効率を数時間にわたりほぼ一定に保ちます。試験では、新しいファイバー結合設計が1日以上にわたりソリトンコムの動作を維持した一方、従来の自由空間レンズ配置は同条件下で数分以内にアライメントを失いました。この長期安定性は、こうしたコムを実用的なテラヘルツ無線に組み込むために不可欠です。

超高速データストリームの送受信

安定した560ギガヘルツ波が生成されると、コムにロックされた一方のレーザーは高度な変調器を通され、光の強度と位相の両方を変化させることでデータを刻印します。チームは二つの一般的なフォーマットを用いており、直交位相変調（QPSK）と16段の直交振幅変調（16-QAM）で、それぞれ1シンボルあたり二ビットと四ビットを運びます。もう一方のロックされたレーザーは変調されません。両方の光ストリームを合成し、高速フォトダイオードでテラヘルツ信号に変換してから10ミリメートルの自由空間ギャップへ放射します。受信側では特別なミキサーと高速電子回路によって到来するテラヘルツ波をより低い周波数へ変換し、オシロスコープに内蔵された処理以外の追加のデジタル補正を行うことなく記録・解析可能にします。

新しいリンクにどれだけの情報が入るか

システムの性能を評価するために、著者らは受信したシンボルのパターンを解析し、それらが理想的な位置からどれだけずれているか（エラーベクトル振幅）を算出します。この値が所定の限界を下回れば、通常の誤り訂正コードで残存誤りを補正できます。位相ベースの単純なフォーマットではシンボルレート最大42ギガボーを使用し、84ギガビット毎秒を達成しました。より要求の高い16段フォーマットでは28ギガボーに到達し、これが560ギガヘルツの単一無線チャネルでの112ギガビット毎秒に相当し、より厳しい誤差限界内で動作しました。また、コム参照ありとなしでの動作を比較すると、コムにロックすることで搬送波の線幅が狭くなり位相雑音が低減され、中間的なシンボルレートでの性能が特に改善されることが分かりました。

将来の無線リンクにとっての意義

日常のユーザーにとっての重要なメッセージは、フォトニックチップが非常に高速な無線接続のためにスペクトルの新しく雑音の少ない領域を開放するのに役立ち、それがいつか基地局を結び短距離のファイバー区間を置き換える可能性があるという点です。この実験は、コンパクトでファイバー化されたコム光源が350ギガヘルツを大きく超えるテラヘルツ送信器を安定的に駆動し、100ギガビット毎秒を超える伝送が可能であることを示しました。今回使用した560ギガヘルツ帯は湿った空気での吸収が強く非常に短距離のリンクに向く一方、同じ手法は信号がより遠く届く近接周波数へと移すこともできます。より強力なテラヘルツ発振器や高利得アンテナが得られれば、著者らは同様のシステムが数メートルの距離で数百ギガビットのリンクをサポートし、将来の6Gインフラの構築ブロックになり得ると推定しています。

引用: Tokizane, Y., Kishikawa, H., Kikuhara, T. et al. Beyond 350 GHz: Single-channel 112 Gbps photonic wireless transmission at 560 GHz using soliton microcombs. Commun Eng 5, 77 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00659-8

キーワード: テラヘルツ無線, ソリトン・マイクロコム, フォトニック送信機, 6Gバックホール, 高速リンク