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 電波が使えない水中での無線通信手段として、「光」、それも可視光を使った技術に注目が集まっている。

可視光無線通信デバイスを搭載した水中無人探査機(ROV)
可視光無線通信デバイスを搭載した水中無人探査機(ROV)
島津製作所や東京海洋大学、海洋研究開発機構らが行った実験に用いた。(写真:東京海洋大学)
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 水中無線通信といえば音響通信が一般的だが、その通信速度はせいぜい数十kbpsほど*1。テキストデータは送れても、映像などの大容量データを送受信するのは難しい。しかし、100Mbpsクラスの高速通信が可能になれば、例えば「水中ドローン」の産業活用が一気に進む可能性がある。地上や船上との間に必要だった通信ケーブルのワイヤレス化によってドローンの行動範囲が広がり、自律航行へのハードルが格段に低くなるからだ。

 そんな水中無線通信にとって、文字通り「希望の光」として期待が高まっているのが、「可視光通信」である。製品化では英国企業などが先行するものの、近年、日本でも対応する技術・製品が現れた。カギになるのは、半導体レーザー技術だ。

*1 音響通信を高速化する研究も進んでいる。例えば、NTTの「海中超音波MIMO多重伝送技術」は、海中で1.2Mbpsを達成。実用化は3~4年後とみられる。

水中で無線イーサネット通信を可能に

 製品化に漕ぎつけたのは島津製作所。同社は2020年2月27日、水中光無線通信装置「MC100」を発売した。レーザー光を利用した光モデムである。通信距離は10mと短いものの*2、通信速度は95Mbps以上を実現した。イーサネット規格である「100BASE-TX」に準拠。送信部に半導体レーザー*3、受信部に光電子増倍管*4を用いており、送受信一体型のモジュール2個1組をペアで使う。価格は合計1500万円(税別)である。

水中光無線通信装置「MC100」
水中光無線通信装置「MC100」
直径113×長さ250mm、1基当たりの質量2.85kg、耐圧36MPa以上(水深3500m相当)。送信用の半導体レーザーと、受信用の光電子増倍管を組み込んである。消費電力5W以下、電源電圧DC24V。(写真:日経クロステック)
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水中光無線通信で映像を送る様子
水中光無線通信で映像を送る様子
水槽を挟んで、2基ペアのMC100を向かい合わせに設置。写真左側のモジュールにカメラを、右側にPCを接続している。カメラで捉えた人物の映像をPC画面に表示している。(写真:日経ものづくり)
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*2 水中減衰量0.5dB/mの場合。

*3 半導体レーザー 周波数や位相のそろった光を半導体(ダイオード)から発生する素子。

*4 光電子増倍管 微弱な光を電気信号に変える装置。「フォトマル」とも呼ばれる。スーパーカミオカンデでの利用例が有名。

他の電磁波より水中で減衰しにくい可視光

 島津製作所は、この水中光無線通信技術を、民生と防衛産業の両分野で使える「デュアルユース技術」と位置付けている。実はMC100の土台となる技術は、防衛装備庁の「安全保障技術研究推進制度」*5を利用して開発したものだ。

 では、なぜ可視光なのか。それは可視光が他の周波数帯の電磁波に比べて水中で減衰しにくいという特性を持つからだ。ほとんどの電磁波は水中で大きく減衰するため通信には使いにくい。超音波による音響通信が古くから用いられてきたのはそのためである。しかし、長い通信距離は得られても、前述のように通信速度が低い。そのため可視光に期待が掛かっているのだ。

水中における無線通信方式の比較概要
水中における無線通信方式の比較概要
超音波による「音響通信」は長距離の通信に向くものの、通信速度が低い。「発光ダイオード(LED)」や「半導体レーザー」による可視光は、通信距離こそ短いが水中の通信速度を高められる。ただし、グラフで示した各方式の特性は条件によって異なる場合がある。(島津製作所と英ソナーダインの資料を基に日経クロステックが作成)
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 「水中光無線装置の量産機に半導体レーザーを採用した製品は、MC100が世界初」(同社航空機器事業部磁気装置部長の西村直喜氏)という。同機が採用した半導体レーザーは、同じく可視光源の発光ダイオード(LED)などと比べて、高い周波数まで使える応答性や、指向性に優れる。「指向性が高ければ配光特性を調整しやすくなるため、通信距離や通信エリアを柔軟に設計しやすい」(西村氏)。

 指向性をコントロールできるということは、秘匿性が必要な通信に向いていることを意味する。西村氏は、「拡散しやすい音響通信とは異なり、水中での光の減衰を積極的に利用することで、通信妨害の恐れを減らせる」とも説明する。デュアルユース技術といわれる理由は、このあたりにありそうだ。

 MC100は、ペアで使う2基のうち片方の光源には青色レーザーを、もう片方には緑色レーザーを搭載する。つまり、波長が異なる2種類の光を使うことで双方向通信を実現している。波長帯域がLEDのおよそ10分1の約2nmと狭く、「(減衰特性の大きい)急しゅんなフィルターを利用できるため、太陽光などの外乱もうまく取り除ける」(西村氏)のも利点だ。

*5 将来的に防衛分野で役立つ民生技術に対して研究開発を促す競争的資金制度。島津製作所は2016~2017年度の2年間、同制度の研究課題「光電子増倍管を用いた適応型水中光無線通信の研究」に参画した。