H-CT-1 H-CT-2 H-CT-3 H-CT-4 H-CT-5 H-CT-6 H-CT-7 H-CT-8 H-CT-9 遠くの音をクリアに収音できるズームアップマイク CO2排出量を低減する業務用燃料電池システム シリコンフォトニクスによる超小型・多機能光デバイス集積 次世代光通信に向けた超高速デジタル／アナログ変換器 超低エネルギー動作するフォトニック結晶レーザ 半導体レーザを用いた小型・高速乱数生成器 手首装着型センサデバイスを用いた人間の行動認識技術 アトジュール光スイッチ ～チップの中に光ネットワーク技術を マイクロマシン技術を用いたデジタル演算の新しい手法を開発
目次
光デバイス、材料科学や情報科学など次代を担う先端技術
遠くの音をクリアに収音できるズームアップマイク
マイクロホン 通信放送 高臨場感 NTTサイバースペース研究所概
要
特
徴
利用シーン
ズームアップマイクは、カメラで遠方を撮像するように、遠方の音をズームアップして収音する 技術です。多数のマイクロホンの近傍に三次元構造の反射板を設置し、空間に散乱した音エ ネルギーを集めることで、遠くの狙った音だけを収音することができます。ユーザが視聴したい 位置を指定すると、映像・音声ともズームアップできる通信放送サービスを実現できます。今 後、普及することが見込まれる3Dや高解像度といった高臨場感映像のズームアップに対応し た音の提示にも役立ちます。 ■ これまで収音できなかった数十メートル先の音を拾うことができます。 ■ 装置位置は固定したままで、ズームアップする方向をユーザが自由に指定できます。 ■ 複数のユーザが、それぞれ異なる方向をズームアップすることができます。 ■ 各マイクロホンごとに音声信号を録音すれば、後から指定した方向をズームアップして聞く ことができます。 ■ コンテンツ配信：サッカー、アメリカンフットボール、フィギュアスケートといったスポーツ中継 ■ 自由視点TV：ユーザが指定した任意の視聴点から鑑賞 ■ ホール音響：マイクロホンを必要としない講演の質疑応答 ■ テレプレゼンスシステム：広い会議室でも特定の人の発言をクリアに収音サッカースタジアム
ズームアップ
マイク
特定の選手を
ズームアップ
・遠くの音を拾えます。
・方向を選択できます。
・複数ユーザに応じて異なる
視聴点を選択できます。
ユーザ宅
パス
ネットワークスタック
②スタックの開発 セル性能を引き出す構造ＣＯ
２
排出量を低減する業務用燃料電池システム
燃料電池 高効率発電 セラミックス NTT環境エネルギー研究所概
要
特
徴
利用シーン
燃料電池は、燃料のエネルギーを効率良く電気に変換します。NTTの独自技術で、発電素子 であるセル、およびその積層体であるスタックを開発しました。また、外部と協力して、世界最 高レベルの発電効率と寿命特性を有する燃料電池システムを開発しました。本技術は、CO2 の削減に貢献します。 ■ 高効率発電が可能なセラミックス（固体酸化物）セル ■ 長寿命を実現するオリジナル電極材料 ■ セル性能を引き出す独自のスタック構造 ■ 高温の排熱利用で、さらなる高効率化が可能 ■通信ビルやオフィスビルへ高効率（CO2排出原単位の小さい）電力を供給 ■学校やレストランへ熱と電力の同時供給 ①セルの開発 ・オリジナル材料の平板型セル ・燃料の高効率な電力変換、高耐久を実現 ・直径12cmの大型化を達成燃料電池システム
セル
12cm ③発電モジュールおよびシステムの開発 ・発電時の発熱を、スタック温度の保持・ 改質反応・空気予熱に活用 ・放熱を抑える断熱構造 ・高効率インバータの開発 項目 値 寸法 1,500(W)×900(D) ×1,800(H)mm 重量 1,330kg 出力 0kW～5kW 部分負荷追従 50～100％ 発電効率 AC 45％ （DC 54％） 使用燃料 都市ガス燃料電池システムの仕様
空気極 電解質 燃料極シリコンフォトニクスによる超小型・多機能光デバイス集積
シリコンフォトニクス 超小型光デバイス集積 低消費電力光デバイス NTTマイクロシステムインテグレーション研究所概
要
特
徴
利用シーン
超小型光デバイスを高い生産性で製造可能なシリコンフォトニクス技術により、さまざまな機 能を持つ超小型光デバイスをシリコン基板上に一括形成し、高密度な光デバイス集積を実現 しました。本技術は、通信用光デバイスの小型化と低消費電力化を可能とし、また電子回路 の光配線技術としても適用可能です。従って、将来爆発的なトラヒックの増大が予想される 光通信システムや、爆発的な情報処理量の増大が予想されるデータセンタシステムの経済化 や環境負荷低減に寄与すると期待されています。 ■ シリコンの高屈折率特性と高度な微細加工技術を利用した低損失・小型波長フィルタ ■ シリコンの半導体特性を利用した超小型・高速光強度制御デバイス（VOA*1） ■ シリコン基板上への高品質ゲルマニウム成長技術を利用した受光デバイス（PD*2） （東京大学との共同研究） ■ 上記異種デバイスのシリコン基板上へのモノリシック一括集積 ■ 光デバイスの小型化や集積化による消費電力の低減 ■多チャンネルVOA-PD集積デバイスを用いたフレキシブル光ノードの高速信号イコライジング ■超小型WDM*3レシーバーを用いたフレキシブル帯域制御によるネットワーク低消費電力化 ■多値変調方式送受信機の超小型多チャンネル化によるアクセスネットワークの大容量化 ■超小型光変調・受光器のオンチップ光配線適用によるLSI電子回路の低消費電力化シリコンフォトニクス技術
超小型・高生産性
経済性・低環境負荷
シリコンウエハ上に
異種機能デバイスを
モノリシック集積
高速VOA
Ge-PD
*波長フィルタ
単体フォトニック
デバイス
VOA-PD
集積
フォトニック
デバイス集積
フォトニクス・
エレクトロニクス
デバイス集積
波長フィルタ－
VOA集積
*1 VOA: Variable Optical Attenuator *2 PD: Photodiode
*3 WDM: Wavelength Division Multiplexing
*1 M-QAM: M-ary Quadrature Amplitude Modulation *2 OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing *3 DAC: Digital-to-Analog Converter
次世代光通信に向けた超高速デジタル／アナログ変換器
次世代光通信 デジタル／アナログ変換器 InP HBT NTTフォトニクス研究所概
要
特
徴
利用シーン
1チャネル当たり100Gbit/sを超えるような将来の高速・大容量光通信システムに向けて、高 度な変調方式（M-QAM*1、OFDM*2など）の適用検討が進められています。特に光送信器側 では、高度な変調信号を生成するために超高速で動作するデジタル／アナログ変換器 （DAC*3）の実現が求められます。NTT研究所では、そのような次世代の光通信システムを見 据え、超高速トランジスタ技術（InP HBT*4技術）および回路設計技術の高度化により、世界 最高速クラスの6ビット分解能を有するDACの実現に成功しました。 ■ 6ビットのDACとして世界で初めて30GS/sクラスの超高速変換動作を達成 ■ さまざまな変調方式（M-QAM、ODFMなど）に対応する送信信号の生成が可能 ■ NTTが独自に開発した超高速トランジスタ技術（InP HBT技術）を利用 ■ 超高速性と低消費電力性を両立できる新たな回路技術を提案・適用 ■ 高周波パッケージへの実装技術を確立 ■ 将来の超高速・大容量光通信システム（超100Gbit/s/chシステム） ■ 将来の超高速光アクセスシステム ■ 任意波形発生器等の測定器応用開発した超高速デジタル／アナログ変換器 （DAC）
超高速トランジスタ （InP HBT）技術を利用 超高速性（>30GS/s）と 低消費電力性（≒1W）を両立 高周波パッケージ実装技術を確立 （→光伝送実験への適用が可能）DACを用いた光デジタル送信器
（16-QAM信号生成例） 同一構成でさまざまな変調方式（M-QAM、OFDMなど）に対応可能
予等化などのさまざまな送信端信号処理の適用が可能
DAC ICチップ InP HBT Collector Emitter Base DACモジュール ft=175GHz fmax=260GHz (3mm×3mm) 90° Digital signal processor (DSP) … … Laser diode I Q Optical I/Q Modulator Driver Driver DAC DAC 16-QAM 多レベル信号（多値変調）超低エネルギー動作するフォトニック結晶レーザ
フォトニック結晶レーザ 埋込ヘテロ構造 NTTフォトニクス研究所概
要
特
徴
利用シーン
フォトニック結晶技術を用いることで 、 レーザの活性層体積が1立方マイクロメータ以下のナノ 共振器レーザを作製することが可能になります。活性層体積が小さくなることで 、 超低閾値の レーザが作製できますが、フォトニックネットワークチップへの応用を考えた場合には、この特長 に加えて低消費電力で高速に変調することが必要になります。このため、InP系光半導体作 製技術である埋込再成長技術を適用した超小型埋込ヘテロ構造フォトニック結晶レーザを作 製しました。 ■ 世界最小体積（5.0×0.3×0.15μm3）の埋込ヘテロ構造を実現しました。 ■ 光注入により、室温連続動作で閾値6.8μW、最大出力約100μWを確認しました。 ■ 直接変調動作を行い、20Gbit/sの明瞭なアイ開口を確認しました。 ■ このときの動作エネルギーは8.76fJ/bitで、レーザの直接変調では世界最小です。 ■ 今後、電流注入レーザの実現をめざします。 ■光源を含めた大規模高密度光集積を可能とします。 ■シリコンCMOS*プロセッサ上のフォトニックネットワークチップとして利用可能です。 ■プロセッサの低消費電力化と大容量化が同時に実現可能です。 ■データセンタで用いられるサーバなどのICT機器の低消費電力化が期待されます。 ■上記以外に超小型センサとして利用することも可能です。活性層
InP
層
フォトニック結晶技術
活性層（InGaAsP）
InP層
InP系光半導体光集積回路
作製技術（埋込ヘテロ構造）
1立方ミクロン以下の共振器
が作製可能
光の強い閉じ込めが可能
世界最小（5.0×0.3×0.15μm
3）の
埋込ヘテロ構造ナノ共振器レーザを作製
活性層へのキャリア閉じ込め
熱抵抗の低減
20ps/div.埋込ヘテロ構造を適用し、面
発行レーザ（VCSEL）の約30
分の1の超低エネルギーで直
接変調可能な半導体レーザ
を開発しました。
20Gbit/s直接変調動作
100 101 102 103 104 10-2 10-1 100 101 102 100 101 102 103 104 10-2 10-1 100 101 102 VCSEL Waveguide-type laser BH PhC laser Active volume(μm3) En er g y c os t ( fJ /bi t)半導体レーザを用いた小型・高速乱数生成器
物理乱数 半導体レーザ 光集積回路 NTTコミュニケーション科学基礎研究所概
要
特
徴
利用シーン
絶対に予測不可能な乱数列は、情報セキュリティに必要不可欠です。そのため、物理現象に 基づいた小型かつ高速の乱数生成器が望まれています。本研究では、半導体レーザから出 力される光の強さが、ランダムに高速時間変化する現象に着目しました。最先端の光集積回 路技術と高周波パッケージング技術を用いて、小型かつ高速なランダム信号発生モジュール を実現しました。本モジュールのランダム出力信号をデジタル化することにより、予測不可能 な乱数列の高速生成が可能となります。 ■ 光集積回路技術の利用による装置の集積化・小型化 ■ 毎秒2.08ギガビットの高速乱数生成 ■ 生成される乱数列の予測不可能性を理論的に保証 ■パスワードの生成、暗号鍵の生成 ■秘密分散法による秘密情報の分割処理に必要な乱数の生成 ■量子暗号における鍵系列の生成 ■乱数を利用する科学技術数値計算にも利用可能予測不可能なランダム信号生成のしくみ
レーザ 反射鏡 予測不可能な 微小ノイズ （量子ノイズ） 光戻り光レーザ
大きく変動するランダム信号 出力光の波形 ランダム性の起源は、原理的に予測不可能な量子ノイズです。戻り光レーザの不安定 性により、量子ノイズによる揺らぎは20億分の１秒以下の時間で急速に拡大され、観 測しやすく予測不可能なランダム出力光に変換されます。小型・高速ランダム信号発生モジュール
戻り光レーザ集積回路の写真
（1cm×300μm）
戻り光レーザ集積回路2個を内蔵
2cm 分布帰還型レーザ 光増幅器1 光増幅器2 光検出器 100μm手首装着型センサデバイスを用いた人間の行動認識技術
ウェアラブルセンサ 行動認識 見守り NTTコミュニケーション科学基礎研究所概
要
特
徴
利用シーン
行動の認識は、ライフログや遠隔ユーザの見守りサービス実現ための根幹的技術の一つです。 本研究では、手首に腕輪型センサデバイスを装着するだけで、デバイスを装着したユーザが、 「何を行っているか」を認識します。センサデバイスは、カメラ、加速度センサ、マイクなどを備え、 ユーザが行動で使うモノ、行動のときの手の動き、行動のときに発せられる音などの情報を捉 え、行動を認識します。 ■ 日常生活において、最もよく使われる「手」に注目してセンシングします。 ■ 手にセンサを集約することで、単一のデバイスのみで、さまざまな行動を認識できます。 ■ 手首カメラにより、手で使っているモノを捉え、その情報をもとに行動を認識します。 ■ 画像や音声に関しては、プライバシー情報を排除したものを認識に用います。 ■ヘルスケア、遠隔見守りサービス：遠くにお住まいのご老人の方の見守りなど ■ライフログ：日常生活の永続的な記録 ■状況依存型サービス：ユーザの状況に応じて、家電や通信機器のサービスを切り替える ■実世界行動に応じた広告：日常行動の嗜好や傾向に応じて提供 カメラ マイク想定するデバイス
センサデータの例
アプローチ
基本的な考え
ユーザが使っている モノは、ユーザの行動に 強く関連する 例：歯ブラシ利用→ 歯磨き行動行動を
学習・認識
抽出 ココア攪拌 ココア缶使用 冷蔵庫使用 カップ使用 加速度 データ 画像 データ 周期的 な波形 カップ ココア カメラ：行動に使うモノの色 ＋ 加速度センサ：手の動き マイク：行動のときに発生する音 ・・・ カメラ マイク •加速度センサ •方位センサ •照度センサプロトタイプデバイス
手で使っているモノを撮影
*1 MPU: Micro Processing Unit
アトジュール光スイッチ ～チップの中に光ネットワーク技術を
ナノフォトニクス 光集積技術 フォトニック結晶 NTT物性科学基礎研究所、NTTフォトニクス研究所概
要
特
徴
利用シーン
近年、ICTのエネルギー消費・発熱が、さまざまなレベルで問題となりつつあります。この解決 策の一つとして、MPU*1などの集積チップの中に光ネットワーク技術を導入することが検討さ れています。しかし、従来の光技術では素子サイズが大きく、各素子の消費エネルギーが大き いために、多数個の光素子をチップの中に集積することは、ほぼ不可能でした。NTT研究所 では、フォトニック結晶と呼ばれる特殊な人工構造を用いて、超小型の光スイッチを実現し、 世界最小の440アトジュール*2という極小エネルギーでのスイッチング動作の実証に成功しま した。 ■ フォトニック結晶＝ナノ加工技術で作る人工的な屈折率周期構造で、光を強く閉じ込める ■ フォトニック結晶により超小型の光共振器（0.02立方ミクロン）を実現し、光スイッチに応用 ■ 440アトジュール（従来の記録の100分の1以下）の光パルスで光信号のオンオフに成功 （図1参照） ■ 従来の光スイッチのトレードオフ限界を克服（図2参照） ■ 40Gbit/s連続パルスの切り出しにも成功 ■大規模「光」集積技術の基本素子。光による大規模集積回路を実現 ■超大容量・低消費電力の情報処理チップを実現 ■MPUチップ中に大規模光ネットワーク処理を導入し、情報処理エネルギーコストを低減 ■ルータ、データセンタの中の情報処理チップに適用し、大幅な低消費エネルギー化 ■携帯型情報端末の中に光ネットワーク処理機能を導入NTT研究所の
結果
図1. フォトニック結晶光スイッチ
図2. さまざまな光スイッチの比較
スイ ッ チ ン グ 時 間 1ns 100ps 10ps 1ps 100fs 1fJ 1pJ 1nJ O u tp u t In te n si ty Time (ps)Control pulse energy 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 10 dB 3 dB 35 ps 660 aJ 420 aJ 0 -200 0 -200
（エネルギー×時間）
スイッチエネルギー H0 nanocavity Output InGaAsP slab Photonic crystal airholes Line defect waveguideSwitch -ON Signal Input Pump Switch -OFF Wavelength Intensity (a.u.) 10-22 10-26 10-24 10-25 10-23 10-21 Ring Cavity PhC cavity
PhC-MZI SOA-MZINonlinear-fiber
waveguide
