深紫外LEDを活用した日中・屋外かつ“見通し外”環境下での光無線通信実証に成功

ビルなどの障害物や太陽光背景ノイズに邪魔をされない革新的な光ワイヤレス通信を実現

2023年6月1日
国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）

ポイント
■ 太陽光による背景ノイズのある日中・屋外、かつビルなどの障害物がある厳しい環境下において、深紫外LEDによる光無線通信伝送を実証
■ 高強度深紫外LED（500 mW超）搭載の送信機と太陽光背景ノイズを高効率に除去可能な受信機を開発
■ 太陽光背景ノイズやビルなどの障害物に邪魔をされない革新的な“見通し外”光無線通信技術の発展に寄与

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー）、理事長: 徳田 英幸）未来ICT研究所の井上 振一郎室長らの研究グループは、深紫外LED（発光ダイオード）を活用し、太陽光による背景ノイズの多い日中・屋外で、かつ送信機と受信機の間にビルなどの障害物がある“見通し外（NLOS: Non-Line-Of-Sight）”環境下において、光無線通信伝送を実証しました。
　発光波長265 nm帯、光出力500 mW超の高強度シングルチップ深紫外LEDを搭載した送信機と、太陽光背景ノイズを高効率に除去可能な深紫外光受信機を開発することで、日中・屋外かつ“見通し外”環境下において、最大80 mの距離で1 Mbps以上の光無線通信伝送に世界で初めて成功しました。
　本成果は、ビルが高密度に建ち並ぶ都市部や樹木が生い茂る森林地帯など、光を遮る障害物が多く存在する厳しい“見通し外”環境下においても、高強度深紫外LEDを用いることで高速光無線通信が実現可能であることを示したものです。将来的には、ビルや樹木等で見通せない状態のドローンや無人ロボットとの通信、見通しの悪い交差点等での車車間通信（V2V）や路車間通信（V2I）、電波の届きにくい山岳地域における無線通信など、幅広い分野の産業、生活・社会インフラにおいて、光無線通信の利用シーンを飛躍的に広げる新しい技術として期待されます。
　なお、本成果は、IEEE（米国電気電子工学会）発行の学術論文誌IEEE Photonics Journal（電子版: 米国東部時間2023年5月31日（水） 最終版）に掲載されました。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202305305988-O1-sZz8Vg12】

背景
　伝送媒体に光を使う光無線通信は、電磁波ノイズに強く、高速・広帯域なデータ通信が可能であることから、次世代の超高速ワイヤレス通信システムの候補として期待されています。一方で、光を自由空間における伝送媒体として利用する場合の難しさとして、電波よりも波長の短い光は、電波よりも直進性が高く、建物などの物体を透過しない性質を持つことが挙げられます。このため、光無線通信では、途中に光を遮る障害物がなく、送信機と受信機が見通し良く向き合った、“見通し内（LOS: Line-Of-Sight）”環境下での通信に利用範囲が限定されていました。また、従来の可視光や赤外光を用いる光無線通信においては、太陽光による背景ノイズの影響を極めて強く受けてしまう問題もありました。このため、 日中・屋外かつ“見通し外”環境下における光無線通信は、これまで一般的に困難であるとされてきました。
　NICTの当研究グループでは、このような課題を解決するため、深紫外波長帯（200～300 nm）で発光する窒化アルミニウムガリウム（AlGaN）系発光ダイオード（LED）の開発と、その深紫外LEDを“見通し外”環境下での光無線通信に活用するための研究を進めてきました。特に、波長280 nm以下の深紫外光は、オゾン層で強く吸収される性質を持ちます。このため、太陽光に含まれる波長280 nm以下の光は地表には降り注がず、自然界には存在しない光であり、深紫外光領域は別名、ソーラーブラインド領域と呼ばれています。この性質により、280 nm以下の深紫外光を利用した光無線通信では、太陽光背景ノイズの影響を回避することが可能となります。
　また、従来の可視光や赤外光と比べ、波長の極めて短い深紫外光は、大気中のエアロゾルや分子と強く相互作用し、高確率に散乱される性質を持ちます。このため、送信機と受信機の間にビルなどの障害物がある“見通し外”環境下においても、散乱過程を介して障害物を回り込むことで、伝送媒体に光を使った無線通信が実現できる可能性があります。しかし、“見通し外”環境下における散乱過程を介した深紫外光は、伝送距離に対する減衰率が極めて大きく、受信側に届くまでに、信号光は非常に微弱な強度となります。このため、深紫外LEDを用いて日中・屋外の“見通し外”光無線通信を実現し、その通信速度を高め、伝送距離を延長していくためには、高出力な深紫外LEDの開発と、太陽光背景ノイズを高精度に除去する受光システムの開発が必須でした。

今回の成果
　今回、日中・屋外の太陽光下かつ送信機と受信機の間にビルなどの障害物がある“見通し外”環境下において光無線通信を実現するために、発光波長265 nm帯、光出力500 mW超の独自開発の高強度シングルチップ深紫外LEDを搭載した送信機を開発しました。また、太陽光背景ノイズを高効率に除去し、深紫外波長領域の信号光だけを選択的に取得可能な二重コールドミラーを備えた受信機を開発しました。
　続いて、開発した送受信システムを用いて、日中・屋外かつ送信機と受信機の間に光を遮るビルなどがある“見通し外”の実験配置において、アイパターンの直接計測を行いました。その結果、最大80 mの長距離伝送、1 Mbpsの通信速度で明瞭なアイパターンが確認されました。
　今回の成果は、日中・屋外かつ送信機と受信機の間にビルなどの障害物がある“見通し外”環境下において、長距離・高速（Mbps以上）の深紫外LED光無線通信伝送を達成した世界初の実証例となります。ビルなどの建物や樹木等により光を遮られる見通しの悪い条件下においても、高強度深紫外LEDを用いることで高速光無線通信が実現できる可能性が示されました。これまでは見通しの良い条件下での利用に限られていた光無線通信の応用の可能性を飛躍的に広げる技術として期待されます。

今後の展望
　今後、深紫外LED及び深紫外受光システムの更なる高性能化、高機能化を進め、“見通し外”光ワイヤレス伝送の長距離化や大容量化の実証を目指していきます。将来的には、ビルなどの障害物によって見通せない状態のドローンや無人ロボットとの通信、見通しの悪い交差点等での車車間通信（V2V）や路車間通信（V2I）、電波の届きにくい森林・山岳地域における無線通信など、光無線通信の新たな利用シーンの創出を通して、社会の安全や利便性の向上に寄与する革新的技術となることが期待されます。

論文情報
掲載誌: IEEE Photonics Journal
DOI: 10.1109/JPHOT.2023.3276176
URL: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2023.3276176
論文名: Solar-Blind Optical Wireless Communications over 80 Meters Using a 265-nm High-Power Single-Chip DUV-LED over 500 mW in Sunlight
著者: Hiroyuki Kurosawa, Sachiko Tsuzuki, Manabu Taniguchi, and Shin-ichiro Inoue

関連する過去のNICTの報道発表
・2022年10月27日 「世界初、ワット級高出力動作の深紫外LED小型ハンディ照射機の開発に成功」
　https://www.nict.go.jp/press/2022/10/27-1.html
・2022年3月18日 「高出力深紫外LED（265nm帯）によりエアロゾル中の新型コロナウイルスの高速不活性化に成功」
　https://www.nict.go.jp/press/2022/03/18-1.html
・2017年4月4日 「150mW超（発光波長265nm）世界最高出力の深紫外LEDの開発に成功」
　https://www.nict.go.jp/press/2017/04/04-1.html
・2015年4月1日 「世界最高出力（90mW超）の深紫外LEDの開発に成功」
　https://www.nict.go.jp/press/2015/04/01-2.html