ナノテク情報

デバイス・応用

6G次世代通信に向けたテラヘルツ波の高度な制御技術 ~THz波の透過性と位相を変えられるメタマテリアルを開発~

 東北大学は2020年12月3日,同大学大学院工学研究科の金森 義明 教授らのグループが,メタマテリアルの電磁誘起透明化現象を微小機械(MEMS)で自在に制御する技術を開発し,電圧でテラヘルツ(THz)波の透過率や位相を制御することができるチューナブル・フィルターを実現したと発表した.次世代の移動通信技術「6G」をはじめ,幅広い分野での応用が期待される.本研究は文部科学省 科学研究費助成事業の支援を受けて実施され,本成果はScientific Reportsに掲載された(注).

 第5世代(5G)移動通信サービスが開始された.次の世代(6G)では,より高周波のTHz波を使用することが期待される.しかし,調整可能なTHz波用フィルターは大型・高価なものが多く,小型・安価かつ高度なTHz波制御が可能なチューナブル・フィルターの実現が課題となっている.

 この課題に対し本研究グループは,メタマテリアル構造を微小機械(MEMS: Micro ElectroMechani-cal Systems)で可変させることで,新たなチューナブルTHz波制御技術を開発した.メタマテリアルは,対象とする電磁波の波長より小さな単位構造の周期配列で構成され,電磁誘起透明化現象(量子干渉効果により吸収帯の中に狭い透過窓が生じる現象)を示す人工光学物質である.開発したメタマテリアルでは,可動梁(Si,厚さ3.5μm)上に形成した1本の金属(Au)棒構造(長さ48.5μm,幅1μm,厚さ0.2μm)と,それに直角な2本の平行金属(Au)棒構造(長さ42.5μm,幅10μm,厚さ0.2μm)を固定梁(Si)上に形成して単位構造としている.このメタマテリアル単位構造を2次元配列(120μm周期)し,MEMSアクチュエータのフレーム中央部に配置する.MEMS櫛形アクチュエータに電圧を印加すると,静電引力によって可動梁上の金属棒が移動して固定梁上の平行金属棒に近づく(30.8μmから19.8μmへ)ため,垂直入射するTHz波との共振周波数付近でのTHz波の透過率,位相が変化する.印加電圧を精密に調整し,フィルター通過後のTHz波の特性を制御できる.

 また,メタマテリアル直下の基板を取り除く技術(犠牲層エッチング利用)を開発し,従来問題であった基板の影響による透過率の低下や不要な干渉波形の発生を解消し,透明性の向上と不要な干渉波形を除去した.試作したチューナブル・フィルターを評価した結果,1.832THzのテラヘルツ波に対して,印加電圧(0~250V)に応じて透過率を 38.8% の範囲で変調し(最大透過率は64.5%),位相を25.3~47.8°の範囲で制御できることを示した.

 本開発のフィルターはMEMS製造技術を用いて作られるため,小型・量産性に優れ,電子回路や半導体と組み合わせてTHz波の高度な制御が可能になる.これらの利点を活かし,6G移動通信をはじめ,医療・バイオ・農業・食品・環境・セキュリティなど幅広い分野での応用が期待される.また,電磁誘起透明化メタマテリルは,電磁波の速度を遅くするスローライトや電磁波をメタマテリアル中で止めるストップライトを作り出すこともできるので,量子コンピューターの光メモリや光バッファとしての応用も期待される.

(注)Ying Huang, Kenta Nakamura, Yuma Takida, Hiroaki Minamide, Kazuhiro Hane, and Yoshiaki Kanamori, "Actively tunable THz filter based on an electromagnetically induced transparency analog hybridized with a MEMS metamaterial", Scientific Reports, Vol. 10, Article number: 20807 (2020), DOI: 10.1038/s41598-020-77922-1; Published: 30 November 2020