ナノテク情報

デバイス・応用

小型テラヘルツ合分波器を新開発 ~シリコンチップが6Gの未来を切り拓く~

 大阪大学,豪州(オーストラリア)のアデレード大学,国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2021年4月29日,大阪大学大学院基礎工学研究科の冨士田 誠之 准教授,永妻 忠夫 教授,Daniel Headland招聘教員らが,アデレード大学のWithawat Withayachumnankul准教授(大阪大学大学院基礎工学研究科招聘教員を兼務)と共同で,Siを用いた小型テラヘルツ(THz: 1012/s)合分波器の開発に成功したと発表した.本研究は,JSTの戦略的創造研究推進事業チーム型研究(CREST)やAustralia Research Council Discovery grant等の支援を受けて実施され,本成果は米国科学誌Opticaにオンライン出版された(注).

 商用サービスが開始された第5世代移動通信システム(5G)では,28GHz帯の電磁波(ミリ波)が利用されている.5Gの次世代システム(6G)では,より高い周波数のTHz電磁波(波長1mm以下)の利用が期待されている.ここで,光ファイバ通信では既に実用化されている複数の異なる波長の光に情報を乗せて伝送する波長多重通信技術が,超大容量THz通信でも鍵となる.周波数(波長)多重通信では,複数の異なる周波数の信号を合成・分離する合分波器が必要である.しかし,平面光導波路を用いた光通信用合分波器と同じ設計では波長の2000倍と大きくなり,THz帯では小型で実用的な合分波器は実現されていなかった.

 本研究グループは,誘電体としてのSiに着目した.SiはTHz波の吸収が極めて少なく,微細加工が可能,また,屈折率が高いのでTHz波を強く閉じ込めることができる.Si配線中を伝搬するTHz波は配線から一部染み出すが,このSi配線に別のSi構造を近づけると,THz波が空隙(空隙幅は,例えば50µm)をまたいで乗り移る"トンネリング現象"が起こる.ここで,THz波の波長が短くなると(周波数が高くなると),染み出し成分が減るためTHz波が乗り移らなくなるが,空隙を狭くすると乗り移る.このような周波数依存性と空隙の大きさの関係を利用して,Si配線中を伝搬するTHz波の経路を周波数によって分ける合分波器が設計できる.

 この設計指針に従い,300GHz帯で動作する4チャネル(328GHz, 348GHz, 368GHz, 388GHz)の合分波器を開発した.本デバイスの大きさは波長の25倍であり,面積は約4cm2と極めて小型である.試作した合分波器にTHz送信器と受信器を接続し,通信実験を行ったところ,各チャネルで12Gbit/s以上,4チャネル合計で48Gbit/s以上の通信に成功した.

 今後,送受信デバイスを集積化した小型THzトランシーバーの開発を進めるとともに,動作周波数の向上,チャネル数の増加および,多値変調方式の利用などを進め,6Gのさらに次世代の目標とされる1Tbit/s級の超大容量無線通信の実現を目指す,としている.

(注)Daniel Headland, Withawat Withayachumnankul, Masayuki Fujita, and Tadao Nagatsuma, "Gratingless integrated tunneling multiplexer for terahertz waves", Optica, Vol. 8, Issue 5, pp. 621-629 (2021), doi: 10.1364/OPTICA.420715; Published: April 29, 2021