大阪大学研究生院基础工学研究科的永妻忠夫教授、前川庆介特任副教授、仲下智也硕士生、吉冈登晖硕士生等人与IMRA AMERICA，INC.组成的联合研究团队，在300GHz频段无线通信系统中的收发器上，应用了采用光技术的超低噪声亚太赫兹信号发生器，从而成功地实现了240Gbit/s的单信道无线通信系统传输速度，创下了全球最快纪录。相关研究成果已先行发表于电子信息通信学会的期刊《IEICE Electronics Express》的在线版上。
图1. 布里渊光源构成图（供图：大阪大学）
为了在2030年代实现Beyond5G/6G的商用化，全球正在加速研发。高速度及大容量作为其性能指标之一，预计将达到5G的10～100倍，速度可达100Gbit/s～1Tbit/s。作为实现这一目标的有效方法之一，能够保障宽频带的100GHz～300GHz（亚太赫兹）电波的利用备受瞩目。实现更高速度的一个有效方法是利用频率效率高的多级调制方案。
然而，想要在亚太赫兹波段进行多级调制，信号发生器的振幅噪声和相位噪声是一个巨大的挑战。
研究团队在亚太赫兹信号的生成、控制和检测方面，除了利用光通信技术中发展成形的光通信波长（1.55μm）波段的激光器、光调制器和光电二极管之外，还在收发系统中使用了被称为布里渊光源的光信号发生器。布里渊光源能够将半导体激光器产生的两个不同波长的光波注入高稳定性的光纤谐振器（谐振器长度为75m）中，并锁定其谐振频率。此外，光纤传输的光信号的线宽通过诱导布里渊散射现象得以变窄，从而进一步提高了亚太赫兹波的频率波动。
在发送端，研究人员将布里渊光源发出的两个不同波长的光分配到两条光路中。其中一个波长的光经过数字相干光通信中使用的多值光调制器，生成16～256QAM（正交幅度调制，quadrature amplitude modulation）调制的光信号。另一个波长的光不进行调制，通过光合波器与数字调制的光合并。将合并后的光通过光电二极管转换为电信号之后，便可以将与两个波长差对应的频率转变为载波信号的电波。
实验中，研究人员通过将波长差设定为约2.2nm，使RF载波频率设定为275GHz。从天线接收的RF信号运用分谐波混频器转换成10GHz～30GHz的中频（intermediate frequency）信号。例如，为了获得20GHz的中频信号，则需要将频率为127.5GHz的LO（局部振荡器，local oscillator）信号输入到分谐波混频器中。
在传统技术中，这种LO信号与发送端的RF信号一样，采用的是通过倍频器将10GHz～30GHz的微波信号转换成10～30倍频率的方法。然而结果是，生成的RF/LO信号存在振幅噪声和相位噪声较大的问题。此次通过使用布里渊光源来生成RF/LO信号的两方，可以将振幅噪声和相位噪声降低到传统方法的1%以下。在实验中，研究人员在252Gbit/s这一高速通信中，实现了极低的比特错误率。
目前，研究团队正在通过改进光电二极管以增加发送功率、提高接收元件的灵敏度以及提高天线的增益等方式，以推进旨在实现更高速度和200m以上长距离通信的研究和开发。
永妻教授表示：“以日美欧各国以及中国为主，使用亚太赫兹波的无线通信研究一直处于激烈的竞争之中。本研究成果彰显了日本的技术实力，它是在NICT Beyond 5G研究开发促进项目的支持下，由大阪大学、IMRA AMERICA, INC.、东京大学、九州大学的团队所取得的研究成果的一部分。虽然本次的发表聚焦于世界最高通信速度的研究成果，但我们也同时取得了其他世界级的成果，今后将逐步发布。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
