第３章 研究活動
２. ブロードバンド工学研究部門の目標と成果
将来の大容量情報通信に柔軟に対応する電子デバイスと高速通信技術の未来システムの構築 を目的に、マイクロ波、ミリ波・サブミリ波、テラヘルツ波、光波の広範な領域での各種情報信号の 発生、伝送、処理、情報ストレージ技術の研究開発を行っている。
(1)先端ワイヤレス通信技術研究室
（目標）高信頼な情報ネットワークである「ディペンダブル・エア」の実現を目指して，先端ワイヤレス 通信技術に関する研究を，信号処理回路・デバイス・実装技術から変復調・ネットワーク技術に至る まで，一貫して研究・開発を行っている。
（成果）急増する移動通信トラヒックを収容するため、異種無線ネットワークを融合し大容量通信を 実現する無線通信システムが提案されている。その実現には無線 LAN を効果的に活用する必要 があるが、高密度ユーザ・高トラフィック要求環境において・マルチセル環境においては通信効率 が低下する問題があった。隠れ端末問題、さらされ端末問題という無線 LAN での課題を解決する ため仮想セクタによる効率的な多重アクセス方式を提案した。また、無線通信端末の伝送速度高 速化・小型化・低消費電力化を目指し、ミリ波帯無線通信端末用サンプルホールド回路や低消費 電力化を実現する間欠動作低雑音増幅器を用いた受信機についての検討を 90nm および 65nm シリコン CMOS プロセスを用いて行った。サンプルホールド回路については Ka 帯(20GHz)動作を 世界で初めて実現した。
(2)超ブロードバンド信号処理研究室
（目標）いまだ未開拓な電磁波領域であるミリ波・テラヘルツ波帯の技術を開拓し，次世代の情報 通信・計測システムへ応用することを目的として，新しい集積型のミリ波・テラヘルツ波電子デバイス の創出と，それらを応用した超ブロードバンド信号処理技術に関する研究開発を推進している。
（成果）単原子層炭素材料：グラフェンを利得媒質とする新原理電流注入型テラヘルツレーザート ランジスタのデバイスプロセス技術の開発を進め、従来を１桁以上上回る電界効果移動度 200,000 cm2/Vs という極めて優れた輸送特性を実現した。また、InGaAs 系および GaN 系高電子移動度トラ ンジスタ(HEMT)の高速化・高耐圧化技術の研究を進め、独自の傾斜フィールドプレート構造とそ の作製技術を開発し，GaN 系 HEMT 高速・高耐圧化への有効性を実証した。
(3)超高速光通信研究室
（目標）光・量子エレクトロニクスならびに伝送工学をもとにして、超高速光通信の基盤となる光パル スの発生・伝送・受光技術、短パルスレーザ技術、ならびにデジタルコヒーレント光信号処理技術 および高精度光ファイバ計測の研究を行い、グローバルな超高速光ネットワークの構築を目指して いる。
（成果）ノンコヒーレントナイキストパルスを用いて単一チャネル 2.56 Tbit/s 信号の 500 km 伝送に
世界で初めて成功した。さらに、コヒーレントナイキストパルスを用いて 64 QAM 方式により単一チャ
ネル 1.92 Tbit/s 信号を生成し、1 Tbit/s を上回る伝送速度でありながら 10.6 bit/s/Hz の高い周波
数利用効率を達成した。また、量子雑音を利用したストリーム暗号に QAM を導入し、多ビットのデ
ータを 2 次元に暗号化することにより、40 Gbit/s-480 km の高速長距離暗号伝送と秘匿性の大幅
ブロードバンド工学研究部門
な性能向上を実証した。
(4)応用量子光学研究室
（目標）高性能・高機能な半導体デバイス実現へ向け、超高速動作可能な光制御型半導体光源、
高機能半導体光変調器の研究を進めている。また、新原理に基づく新機能半導体光デバイス創出 を目的として、高機能半導体光デバイス及び新機能半導体光集積回路の研究を進めている。
（成果）外部共振器を付与し、光子共鳴効果を導入することで半導体レーザの応答速度の飛躍的 向上を実現するために、半導体レーザの共振器損失を RF 信号で変調し、注入電流変調と同時に 作用することで、レーザ応答特性を制御できることを数値解析で明らかにし、試作素子で動作を実 証した。また、光負帰還法による半導体レーザの線幅低減実験で、数 GHz 程度の周波数までの位 相ノイズを効果的に低減可能であることを実験的に実証した。さらに、高調波同時印加の手法を適 用することで、LN マッハツェンダ変調器による平坦度 0.5dB 以下の 13ch コム発生に成功した。
(5)情報ストレージシステム研究室
（目標）次世代型垂直磁気記録によるハードディスク装置の高速・密度化の実現と、大容量ス トレージのシステム化技術の研究を行っている。
（成果）現在の 5 倍の高面密度に相当する 5Tbit/inch
2（1 平方インチ当たり 5 兆ビット）の高密度ス
トレージが次世代型垂直磁気記録で可能になることを示してきた。更に高速のデータ転送性能と高
面密度記録を実現するために、単一、又は、複数の再生ヘッドを用いてディスクの磁気情報を並列
に読み出すことでデータ転送の倍速化を図った。また、このアレイヘッドを隣接トラック間のクロスト
ークノイズを相殺するために用いることで再生信号の SN 比を改善できることをシミュレーションによ
り明らかにしている。
ブロードバンド工学研究部門
超高速光通信研究室
次世代超高速光通信技術に関する研究
光伝送研究分野 教 授 中沢 正隆
光信号処理研究分野 准教授 廣岡 俊彦 高精度光ファイバ計測研究分野 准教授 吉田 真人
＜研究室の目標＞
インターネットや携帯で扱われる情報が多彩になり、また利用者が広がるにつれ、快適なコミュ ニケーション環境を提供する大容量・超高速ネットワークの実現が大変重要になってきている。超 高速光通信技術はそのネットワークを支える中核技術である。本研究分野では、光・量子エレクト ロニクスと伝送工学を駆使して、超高速光通信の基盤となる超短光パルス発生・伝送技術、ソリト ンを中心とする非線形波動技術、超高速レーザ技術、デジタルコヒーレント光信号処理技術の研究 を行い、21世紀のグローバルな超高速光ネットワークの構築を目指している。
＜2015年度の主な成果＞
１． 超高速光伝送技術に関する研究
本研究室では、スペクトル広がりを抑えつつ高速伝送を実現できる新たな光パルス「光ナイキス トパルス」を提案している。2015 年度は、ノンコヒーレントナイキストパルスを用いて単一チャネ
ル2.56 Tbit/sの超高速信号を生成し、その500 km伝送に世界で初めて成功した。さらに、コヒーレン
トナイキストパルスを用いて64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)方式により単一チャネル1.92
Tbit/s信号を生成し、1 Tbit/sを上回る伝送速度でありながら10.6 bit/s/Hzの高い周波数利用効率を達成
した。
２． コヒーレント光QAM伝送技術に関する研究
本研究室では QAM 方式によるコヒーレント超多値光伝送技術に取り組んでいる。2015年度は、
レーザ光の位相あるいは振幅雑音の中にデータを隠す量子雑音を利用したストリーム暗号（QNSC:
Quantum Noise Stream Cipher）にQAMを導入し、多ビットのデータを2 次元に暗号化したQAM/QNSC
ブロードバンド工学研究部門
方式により40 Gbit/s、480 kmの高速長距離暗号伝送を実証した。本方式は従来の1 次元の暗号と比べ、
暗号化に用いる多値度を 2 乗倍高く設定できるため、QNSC の安全性を飛躍的に増大できる。
＜職員名＞
教 授 中沢 正隆（2001年より）准教授 廣岡 俊彦（2007年より）
准教授 吉田 真人（2011年より）助教（プロジェクト特任）葛西 恵介 秘 書 篠崎 頼子
＜プロフィール＞
中沢 正隆 1980年東京工業大学大学院総合理工学研究科博士課程修了（工学博士）。同年日本電信電話 公社入社、茨城電気通信研究所。1984～1985年MIT客員研究員。2001年4月より東北大学電気通信研 究所教授。光ファイバ中の非線形光学効果、ソリトン通信、フェムト秒パルスレーザ、光ファイバ増幅 器の研究に従事。IEEE Daniel E. Noble Award (2002年)、OSA R. W. Wood Prize (2005年)、Thomson Scientific Laureate (2006年)、産学官連携功労者表彰内閣総理大臣賞(2009年)、紫綬褒章(2010年)、IEEE Quantum Electronics Award (2010年)、日本学士院賞(2013年)、OSA Charles Townes Award (2014年)など受賞。IEEE、 OSA、電子情報通信学会および応用物理学会フェロー。2008年本学Distinguished Professor、2010~2012 年本研究所所長、2012~2013年国際高等研究教育機構長、2011~2015年電気通信研究機構長。
廣岡 俊彦 2000年3月大阪大学大学院工学研究科博士後期課程修了。同年4月コロラド大学博士研究 員。2002年4月東北大電気通信研究所助手。2007年10月同准教授、現在に至る。超高速光通信、非線 形ファイバ光学の研究開発に従事。電子情報通信学会学術奨励賞、光科学技術研究振興財団研究表彰、
文部科学大臣表彰若手科学者賞、RIEC Awardなど受賞。
吉田 真人 2001年3月東北大学大学院工学研究科博士後期課程修了。同年4月東北大電気通信研究所 助手。2011年7月同准教授、現在に至る。ファイバレーザ、コヒーレント光伝送の研究に従事。電子情 報通信学会学術奨励賞、とやま賞、ELEX Best Paper Award、電子情報通信学会論文賞など受賞。
＜ 2015 年度の主な発表論文等＞
[1] M. Yoshida, S. Beppu, K. Kasai, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “1024 QAM, 7-core (60 Gbit/s x 7) fiber transmission over 55 km with an aggregate potential spectral efficiency of 109 bit/s/Hz,” Opt. Express, vol. 23, no.
16, pp. 20760-20766, 2015
[2] T. Hirooka, D. Seya, K. Harako, D. Suzuki, and M. Nakazawa, “Ultrafast Nyquist OTDM demultiplexing using optical Nyquist pulse sampling in an all-optical nonlinear switch,” Opt. Express, vol. 23, no. 16, pp. 20858-20866, 2015
[3] K. Kasai, Y. Wang, D. O. Otuya, M. Yoshida, and M. Nakazawa, “448 Gbit/s, 32 Gbaud 128 QAM coherent transmission over 150 km with a potential spectral efficiency of 10.7 bit/s/Hz,” Opt. Express, vol. 23, no. 22, pp.
28423-28429, 2015
[4] K. Kasai, Y. Wang, S. Beppu, M. Yoshida, and M. Nakazawa, “80 Gbit/s, 256 QAM coherent transmission over 150 km with an injection-locked homodyne receiver,” Opt. Express, vol. 23, no. 22, pp. 29174-29183, 2015 [5] K. Harako, D. Suzuki, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “2.56 Tbit/s/ch (640 Gbaud) polarization-multiplexed
DQPSK non-coherent Nyquist pulse transmission over 525 km,” Opt. Express, vol. 23, no. 24, pp. 30801-30806, 2015
[6] T. Hirooka and M. Nakazawa, “Q-factor analysis of nonlinear impairments in ultrahigh-speed Nyquist pulse transmission,” Opt. Express, vol. 23, no. 26, pp. 33484-33492, 2015
[7] M. Yoshida, T. Hirooka, K. Kasai, and M. Nakazawa, “Single-channel 40 Gbit/s digital coherent QAM quantum noise stream cipher transmission over 480 km,” Opt. Express, vol. 24, no. 1, pp. 652-661, 2016
[8] D. O. Otuya, K. Kasai, T. Hirooka, and M. Nakazawa, “Single-channel 1.92 Tbit/s, 64 QAM coherent Nyquist orthogonal TDM transmission with a spectral efficiency of 10.6 bit/s/Hz,” J. Lightwave Technol. vol. 34, no. 2, pp.
768-775, 2016
[9] K. Kasai, M. Yoshida, and M. Nakazawa, “295 mW output, frequency-stabilized erbium silica fiber laser with a linewidth of 5 kHz and a RIN of −120 dB/Hz,” Opt. Express vol. 24, no. 3, pp. 2737-2748, 2016
[10] M. Nakazawa and T. Hirooka, “Mode locking theory of the Nyquist laser,” Opt. Express vol. 24, no. 5, pp.
4981-4995, 2016