國際科學技術財團將2023年的日本國際獎授予了「電子、資訊和通訊」領域的日本東北大學的中澤正隆卓越教授（70歲）和資訊通訊研究機構的萩本和男主席研究員（68歲）。被譽爲「支撐全球網際網路社會的骨幹技術，開拓了‘長距離·大容量光數據通訊’之路」的半導體雷射放大器等研究成果究竟是何物呢？Science Portal採訪了二人以及他們的獲獎紀念演講。
獲得日本國際獎的中澤先生（左）和萩本先生（攝於4月14日）
發光能量量傳播100公里衰減到只剩約1%
透過把來自個人電腦等的電子訊號轉換爲燈火信號，使其可以在網際網路中高速發送和接收。光纖作爲收發資訊的通道，物理可用能學家高錕博士（Charles K.Kao）注意到了由高純度玻璃製成的光纖的便利性，於1966年發表了一篇關於光纖基本技術的論文。由此光纖從20世紀70年代開始投入實際應用，2009年高錕博士因此榮獲諾貝爾物理可用能學獎。
儘管純度很高，但發光能量量在透過光纖時會不斷衰減。在100公里的距離時僅剩下約1%左右。萩本先生笑道：「當時我工作的橫須賀NTT研究所100公里開外是富士山。晴天的時候肉眼能夠看到富士山，但我就想如果把玻璃板排成100公里長，那麼就只能看到1%了啊。」
爲了用光纖縱貫日本列島，從北海道到沖繩約3000公里，或者與間距約1萬公里的其他大陸之間建立國際通訊網，就有必要在光纖接續時有效地等比增大減量的光。
組合半導體雷射和鉺實施小型化
中澤先生和萩本先生都是1980年進入日本電信電話術公社（現NTT）工作的。中澤先生當初研究的題目是開發能夠尋找出因土木工程等意外受損的光纖區隔點的裝置。當時爲了尋找區隔點，開發了一種能夠在纖維内傳播的雷射。在調查相關研究時，還發現添加了稀土元素鉺的光纖能使光增幅。
中澤先生充滿懷念地表示：「當時，英國南安普頓大學戴維佩恩（David Payne）教授和美國貝爾實驗室的團隊也在獨立開發放大器，競爭非常激烈。如果能取得成果的話當然會很自豪，但身體已經相當疲憊不堪，可一想到會被競爭對手趕超，心中便頗有不甘。大概是因爲當時只有35歲（還很年輕的緣故）吧，所以最終還是咬牙挺了過來」。當時的競爭焦點是如何在不使用大型設備的情況下，給能夠增幅發光能量的鉺提供能量，使其處於激發狀態。
已有的光增幅器是將燈火信號轉換爲電訊號，進行電訊號增幅後再轉換爲燈火信號發送，但裝置的體積龐大且需要大功率。中澤先生就考慮利用以前爲搜尋區隔點開發的裝置中使用的InGaAsP半導體雷射進行照射，同時組合使用摻鉺光纖應該可以爲光增幅，並於1989年試製出了一個能夠有效適用大範圍頻帶光的半導體雷射泵作用光放大器。該放大器只有10平方釐米，還不到以往光學放大器的1/100，並且使用電池工作。中澤先生強調錶示：「我並非從一開始就在研究光放大器。只是因爲重視可替代物而產生了新的想法」。
1989年發佈的光放大器試製品（由國際科學技術財團提供）
領先於海外競爭對手主導國際標準化
試製品完成後，同樣在NTT工作的萩本先生迅速驗證了其可以進行212公里的遠距離傳輸。從1989年2月在國際學會上的發表開始，與貝爾實驗室等海外公司的競爭便逐漸激化。萩本先生回憶道：「我當時過着在公司職工宿舍回家喫過晚飯，即使一歲的長子哭個不停，也會回到公司做實驗的生活。即使贏了一次競爭，在其它國際學會上，歐美的研究機構會拿出更成熟的成果來試圖趕超。因此我們必須總是領先一步取得成果，如果無法連續取得好的成果，就無法得到歐美研究者的身份鑑定。」
在同年7月召開的國際會議上，NTT再次在多中繼傳輸中領先了一步，也推進了高輸出化。還證實摻鉺光放大器可以在不同波長的光不產生競爭的情況下實施同時等比增大。透過多個波長的光在單根光纖内傳輸的波分多工（WDM）的方式，進一步提高了資訊通訊的容量。由於領先於海外競爭對手，主導了放大器的國際標準化，爲每秒發送1Tbit資訊的太位元光傳輸奠定了道路。
該放大器已被用於日本通訊公司KDD（現KDDI）的第一條橫跨太平洋的海底光纜中。目前已隊形變換到了可以使用網際網路在世界各地收看國際轉播，透過國際海底光纜網路交換個人資訊等收發大容量資訊的程度。
最新的國際海底光纜網路（由國際科學技術財團提供）
海底光纜中繼器（左）中的光增幅器（由國際科學技術財團提供）
期待結合無線技術的「雜食」
網際網路的資訊通訊量目前仍在增加之中。中澤先生和萩本先生的成就爲今天廣泛使用的SNS和雲服務做出了巨大貢獻。但是，隨着支援Society5.0的5G（第五代行動通信系統的簡稱）以及後續的6G時代的到來，資訊通訊量將越來越大。
在這一背景下，對於通訊的大容量化和高速化，中澤先生表示：「我認爲對未來的研究人員來說，‘雜食’是很重要的。在未來的通訊技術中，不僅是光，如果可以將無線電同樣用於電磁波，也應該進行技術開發，有線和無線融合的‘3M技術’很有前景」。
3M技術是指（1）Multi-level modulation（多級調變）、（2）Multi-core fiber（多芯光纖）、和（3）Multi-mode control（多模態控制）的首字母縮寫。（1）是一種透過改變光的特性增加傳輸資訊量的技術，已投入實際使用；（2）已開發出了一種已經不能稱之爲玻璃的使用什麼都透不過的空孔纖維，並且有望很快投入實際使用；（3）是一種增加收發天線的技術。
到2050年左右，隨着資訊通訊速度和容量的不斷提升，飛行汽車、無人航空載具、自動駕駛等運輸領域將發生巨大變化。除了居家醫療、遠程手術等醫療領域之外，還包括利用元宇宙（虛擬空間）開發各種服務、災難等的大規模類比等，其應用可以說是無限的。而3M技術的運用將是關鍵。
原文：長崎綠子/JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
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2023 Japan Prize獲獎者
