博 士（ 情 報 科 学 ） 若 山 雄 太
学 位 論 文 題 名
体積ホログラムを用いた自由空間光インターコ不クション に関する研究
(Study on free‑space optical interconnection using volume holograms)
学位論文内容の要旨
光フ ァイバ 通信網 は， 波長ど とにチ ャネル を割り 当て て信号 を多重 伝送する波長分割多重(WDM) 方式 を採用することで，高速かつ大容量をデータ伝送を支える基盤技術として定着しているが，リッ チコ ンテン ツやデ ジタル アーカ イブ の普及 をどに よる昨今の急速を需要拡大によって深刻を容量不 足 が示 唆 さ れ て い る．こ の問題 を解決 するた めにWDMシ ステム の効率 化や波 長チ ャネル 数の増 大 を らび に 新 規 通 信 方式 や そ れ に 伴う デ バ イスの 研究が 推進 されて いる.WDMシステ ムの効 率化に 関し ては，これまで固定的だった波長チャネルの割り当てを動的かつ広い波長域にわたって行う，フ レ キシ ブ ル をWDMシ ステ ムの構 築が進 められ てお り，広 い波長 域に対 応でき る光 ファイ バや増 幅 器 ，再 構 成 可 能 ア ドド ロ ッ プ 多 重化 装 置(ROADM)をどの 研究が 進めら れて いる． 一方，WDM以 外 の 通信 方 式 と し て 偏光 分 割 多 重(PDM)方式 や モ ー ド 分割 多 重(MDM)方 式 が検 討 さ れ て おり， こ れ ら をWDMと 併 用 した 新 規 通 信 方式 が 提 案 さ れ てい る.MDMは ， マ ル チモ ー ド フ ァ イiX (MMF) の モ ー ド 数 が100を超 え る こ と やWDMお よ びPDMと の組 み 合 わ せ が 可能 で あ る こ とを ど か ら ． 通信 容量を 飛躍的 に増大 させる こと ができ る技術 として注目されている．近年ではシングルモード フ ァイ バ を 用 い て 伝送で きる光 パワー が限界 に近 づいて いるこ とから も， コア径 の太いMMFを 扱 う こと が で き るMDMは極 めて重 要を技 術とし て位 置づけ られて いる． これら に加 えて． 光ファ イ パ通 信網と 衛星や 無線機 器との 連携 に関す る研究 も盛んに行われており，最近では震災に対するロ バス ト性から非常に注目を集めている．このように光通信システムの多様化が進むことで．異教る通 信媒 体に対 する光 接続の 需要が 高ま り，接 続する 空間分布や伝搬モードおよび波長を高い自由度で 設定 できる 光イン ターコ ネクシ ョン 技術の 確立が 求めら れて いる．
本論 文では ，形状 ，波 長また はモ― ドの異 をる光伝送媒体を光・電気変換をしに超高速かつ並列 的に 相互接 続する 技術の 確立を 目的 として ，偏波 と波面分布を自動的に補償する光インターコネク シ ョン 技 術 ； 極 め て広い 波長可 変性を 有するROADM，モー ド多重 化信 号に対 するデ マルチ プレク サ(DEMUX)に 関 す る研 究につ いて 述べる ，まず ，通信 の多様 化に 向けて 形状や 偏光特 性の 異をる 伝 送路 間 の 相 互 接 続技 術 を 確 立 する た め に ， 波面 補 償 効 果 を有 する2重 位相共 役鏡(DPCM)と呼 ばれ る自己 形成型 体積ホ ログラ ムを 用いた 光イン ターコネクション技術を検討する．同技術によっ て達 成可能 誼最大 の接続 効率が 得ら れる光 学的条 件を明 らか にする と共に ，接続 する導 波路間の 構造 の違い を意識 せずに ，位置 ，角 度，お よび偏 光状態に対する調芯精度を従来の突合せ接続と比 べ て大 幅 に 緩 和 で きるこ とを定 量的に 示す． 次に ，超広 域をフ レキシ ブルWDMシ ステム に向け た ROADMを 実現 す る た めに， 体積ホ ログラ ムの 波長選 択性と りライ タブ ル性を 用いた 広い波 長可変 性 を有 す るROADMを 新規に 提案し ，実験 と数 値シミ ュレー ション によ りこれ まで実 現する ことが
―623 ‑
難しか った広い波長可変 性と高い回折効率が 得られることを明らかにする．最後に，超高速・大容量 をMDMシ ス テ ム の 実 現 に 向 け て 問 題 と をっ て いるDEMUXの大 型 化と 複雑 化 を解 決す る ため に，
体 積ホ ロ グラ ムの 多 重記 録特 性 と位 相フ ィ ルタ の効 果 を活 用し た モードDEMUXを新たに提案し ， 単 一の ホ ログ ラフ イ ック 素子 を 用い て複 数 のモ ード を 高い 信号 対 クロストーク雑音 比(SNR)で 一 挙に分 離できることを実 験によって示す．
以下 に，各章の概要を 示す．
第1章では．研 究の背景と目的に ついて述べる．
第2章 では ， ホロ グラ フイック記録の 基本構成や記録再 生原理等について 概説し，特に体積ホ ロ グラム の動作と特徴につ いて述べる．
第3章 では ， リラ イタ プ ルを ホロ グ ラム 記録 媒 質で ある フ ォト リフラク ティプ(PR)媒質とPR媒 質 中のピーム伝搬に ついて述べる，また ，DPCMの形成過程 と機能について説 明し，PR効果を考慮 し たピー ム伝搬法(BPM)を新たに提案 する．
第4章 で は ． 第3章 で 述 べ たDPCMを 高 速 ・ 高 効 率 に 形 成 す る た め の 有 用 を 材 料 と し てSbを ド ープ し たSn2P2S6 (Tin Thiohypodiphosphate: SPS)結 晶に着目し，これ を用いたDPCMの回折 特 性 を明らかにする． また，DPCMにおける 位相共役反射率の 結晶長依存性，入 射角度依存性，入射 光 強度依 存性，しきい値特 性，偏光特性を明ら かにする．
第5章 では ， 第4章 で得 られ た 結果 を基 に 形状や偏光特 性の異をる光導波 路問のインターコネ ク シ ョン 技 術を 実現 で きる こと を 示す ，こ の 手法はDPCMを 用いた接続手法を 発展させた技術で， 光 フ ァイバ間において は従来の突合せ接続 に比べて数十から 数百倍もの調芯ず れ耐性を有し，さち に 偏光に 対する調整を不要 にすることができる ．具体的を適用例として，フォトニック結晶ファイバと レーザ 間の接続を取り上 げ，接続効率の偏光 依存性を緩和でき ることを実験により示す．また，第3 章 で提 案 したBPMを 用い て 数値 シミ ュ レー ショ ン を行 い，PR媒質 中の光強 度分布や誘起屈折率 分 布の複 雑を時間変化およ び空間変化を明らか にする．
第6章 で は ， 第3章 か ら第5章で 扱っ て きたPR効 果 の動 的を 性 能を 活用 し た超 広域 を 波長 可変 性 を 有 す るROADMを提 案し ， 本デ バイ ス が175 nmを 超え る広 域 を波 長可 変 幅を 有す る こと を実 験によ り示す．また，光 学系と波長チャネル のバンド幅の関係について解析的に明らかにし，高密度 謡WDMで 用い ら れる バン ド 幅に 対応 で きる こと を 示す ．さ ら に， 波長に対 する回折効率のばら つ き を抑え．回折効率 の最大値を向上する ために屈折率格子 の分布を最適化す るアポダイゼーショ ン 手 法を 提 案し ，こ れ を用いる ことで，780 nmか ら1550 nmの超広域を波長可 変幅を実現できるこ と を解析 的に明らかにする ．
第7章 で は ， 第6章 で 提案 したROADMの 構成 を基 に ，体 積ホ ロ グラ ムの 位 相フ ィル タ とし ての 動 作を ら びに 多重 記 録特 性を 利 用し たモ ― ドDEMUXを 提案 し ，モ ード多重 化信号を一挙に分離 で き るこ と を実 証す る ．さ らに ． 空間 フィ ル タを組み合わ せることで20 dBを超える高 いSNRが得 ら れるこ とを実験と解析の 両面から明らかにす る．
第8章では，本 研究の総括を述べ る．
‑ 624―
学位論文審査の要旨 主査 准教授 岡本 浮 副 査 教 授 富 田章 久 副 査 教 授 山 本眞 史
学 位 論 文 題 名
体 積 ホ ロ グ ラ ム を 用 い た 自 由 空 間 光 イ ン タ ー コ ネ ク シ ョ ン に 関 す る 研 究
(Study on free‑space optical interconnection uslngV01umeh010gramS ）
光ファ イバ 通信網は，高速かつ大容量をデータ伝送を支える基盤技術として定着しているが，昨今 の急速 を需要 拡大によって深刻を容量不足が示唆されている．この問題を解決するために，信号を波 長ど と に 多 重 伝送 す る 波 長 分割多 重(WDM)方式 や伝搬 モード を独 立した チャネ ルとし て扱う モー ド分 割 多 重(MDM)方 式を ら び にこれ らを 組み合 わせた 新規通 信方 式や新 規デバ イスの 研究が 推進 されて いる． また，光通信システムの多様化が進むことで，接続する空間分布や伝搬モードおよび波 長 を 高 い 自 由 度 で 設 定 で き る 光 イ ン タ ー コ ネ ク シ ョ ン 技 術 の 確 立 が 求 め ら れ て い る ． 本論文 では ，形状，波長またはモードの異をる光伝送媒体を光・電気変換をしに超高速かつ並列的 に相互 接続す る技術 の確 立を目 的とし た自由 空間 光イン ターコネクションに関する研究について述 べてい る．具 体的には，偏波と波面分布を自動的に補償する光インタ―コネクション，極めて広い波 長域に おいて 動的を ルー ティン グを可 能にす る再 構成可 能アドドロップマルチプレクサ，モード多 重 化 信 号 の 分 離 を 行 う デ マ ル チ プ レ ク サ に 関 す る 研 究 に つ い て 述 べ て い る ． 第1章では ．当該 研究 の背景 と目的 につい て述べ てい る．
第2章 で は， ホ ロ グ ラ フイ ック 記録装 置の 基本構 成や記 録再生 原理等 につ いて概 説して いる．
第3章 で は， リ ラ イ タ ブル をホ ログラ ム記 録媒質 である フォト リフラ クテ ィプ(PR)媒質とPR媒 質中 の ビ ー ム 伝搬 に つ い て 述べて いる． また ，波面 補償効 果を有 する2重位 相共 役鏡(DPCM)と呼 ばれる 自己形 成型体 積ホ ログラ ムの形 成過程 と機 能につ いて説明し，PR効果を考慮したビーム伝搬 法(BPM)を新た に提 案して いる．
第4章 で は ， 第3章 で 述 べ たDPCMを 高 速 ・ 高 効 率 に 形 成 す るた め の 有 用 を材 料 と し てSbを ドー プ したSn2P2S6 (Tin Thiohypodiphosphate: SPS)結晶に 着目し ，こ れを用 いたDPCMの回折 特 性を明 らかに してい る． また，DPCMにお ける位 相共役 反射率の結晶長依存性，入射角度依存性，入 射光強 度依存 性，し きい 値特性 ，偏光 特性を 明ら かにし ている ．
第5章では ，通信 の多様 化に 向けて ，第4章で 得られ た結果 を基 に形状 や偏光 特性の 異なる 光導 波路 間 のイン ターコ ネク ション 技術の 高性能 化につ いて 述べて いる． ここで は，DPCMを用い た接 続手法 を発展 させる こと で，従 来の光 ファイ バ間 におけ る突合せ接続に比べて数十から数百倍もの 大きを 調芯ず れ耐性を実現でき，さらに偏光に対する調整を不要にできることを示している．具体的 を適用 例とし て，フォトニック結晶ファイバとレーザ間の自由空間インターコネクションにおいて．
接続 効 率の偏 光依存 性を 緩和で きるこ とを実 験によ り示 してい る．ま た，第3章 で提案 したBPMを 用いて 数値シ ミュレ ーシ ョンを 行い，PR媒質 中の光 強度分 布や誘起屈折率分布の複雑を時間変化お ‑ 625−
よび 空間変 化を明 らか にして いる．
第6章 で は ， 超 広 域 を フ レキ シ ブ ルWDMシ ス テ ム に向 け て ， 第3章 か ら 第5章で 扱 っ て き たPR 効果 の動的 を性能 を活 用した 超広域 を波長 可変性 を有 する再 構成可 能アド ドロップマルチプレクサ を提 案し， 本デバ イス が175 nmを 超える 広域を 波長可 変幅 を有す ること を実験により示している．
また ，光学 系と波 長チ ャネル のバンド幅の関係について解析的に明らかにし，本デバイスが高密度な WDMで用い られる バンド 幅に 対応で きるこ とを示 して いる． さらに ，波長 に対す る回 折効率 のばら っき を抑え ，回折 効率 の最大 値を向 上する ために 屈折 率格子 の分布 を最適 化するアポダイゼーショ ン手 法を提 案し， これ を用い ること で，780 nmから1550 nmの 超広域 を波 長可変 幅を実 現でき るこ とを 解析的 に明ら かに してい る．
第7章 で は ， 超高 速 ・ 大 容 量をMDMシス テ ム の 実 現 に向 け て 問 題 とをっ ている デマル チプ レク サの 大型化 と複雑 化を 解決す るため に，第6章 で提案 した再 構成 可能ア ドドロ ップマ ルチ プレク サ の構 成を基 に体積 ホロ グラム の位相 フィル タとし ての 特性顔 らびに 多重記 録特性を利用したモード デマ ルチプ レクサ を提 案し， 本デバ イスが モード 多重 化信号 を一挙 に分離 できることを実証してい る ． さら に ， 適 切 をモ ード の組 み合わ せを選 択する ことで20 dBを超え る高いSNRが 得ら れるこ と を実 験と解 析の両 面か ら明ら かにし ている ．
第8章で は，本 研究の 総括 を述ぺ ている ．
これ を要す るに ，著者 は，偏 波と波面分布を補償する光インターコネクション，広い波長可変域を 有す る再構 成可能 アド ドロッ プマル チプレ クサを らび にモー ド多重 化信号 に対するデマルチプレク サに 関する 研究を 行う ことで ，自由 空間光 インタ ーコ ネクシ ョン技 術の発 展に向けた多くの有益を 知見 を得て おり， 光エ レクト ロニクスの分野に貢献するところ大改るものがある．よって著者は．北 海道 大学博 士（情 報科 学）の 学位を 授与さ れる資 格あ るもの と認め る．
−626―
