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（ダニエル ヘッドランド）招へい教員（当時：特任研究員（常勤））らは、オーストラリア アデレード大学Withawat Withayachumnankul（ウィザワット ウィザヤチュムナンクル）准教授（大阪大学大学院基礎工学研究科招へい教員を兼務）と共同で、シリコンを用いた小型テラヘルツ合分波器（図1）の開発に成功しました。

電波と光の中間領域の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波は、次世代の移動体通信6Gなどの超高速無線通信への応用が期待されていますが、そのデバイス技術が未熟という課題があります。特に、超大容量通信の実現に向けて、複数のチャネルを用いた情報伝送を可能とする信号多重化技術が必要であり、テラヘルツ信号を合成・分離する合分波器の開発が求められています。

本研究グループは、誘電体としてのシリコンに着目し、テラヘルツ波のトンネリング現象（図2）を利用することで、300ギガヘルツ帯の4チャネル合分波器の開発に成功しました。本デバイスの大きさは、約4cm²と極めて小型であり、テラヘルツ波を用いた超大容量通信の各種応用展開を切り拓く成果であるといえます。

本研究成果は、米国科学誌「Optica」に2021年4月29日（木）午後11時（日本時間）にオンライン出版されました。

図1. 開発したテラヘルツ合分波器の写真。

図2. テラヘルツ波のトンネリング現象の説明図。(a)シリコン配線中を伝搬するテラヘルツ波には、シリコンからの染み出し成分が存在するが、(b)別のシリコン構造を近づけると、テラヘルツ波が空隙をまたいで乗り移る。(c)テラヘルツ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、テラヘルツ波が乗り移らない状況になるが、(d)空隙を狭くすると乗り移る。(e)空隙の大きさと周波数の関係を利用して、空隙の大きさを調整した構造で合分波器が設計できる。

近年、携帯電話など、電磁波を用いた情報通信応用が急速に進展しています。電磁波を特徴づける値として、周波数と波長がありますが、一般に周波数が高いほど大容量の情報を伝送することが可能なため、2020年3月に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、28ギガヘルツ帯の電磁波（ミリ波）が利用されることになりました。一方、5Gの次世代のシステムである6Gに関する研究開発が活発化しており、5Gを超えた超高速無線通信の実現を目指したより高い周波数の電磁波、テラヘルツ波に関する研究が進展しています。ここで、光ファイバ通信では実用化されている複数の異なる波長（周波数）の光（電磁波）に情報を乗せて伝送する波長（周波数）多重通信技術が、超大容量テラヘルツ通信実現の鍵です。そのような周波数多重通信では、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す。しかしながら、光通信で広く利用されている合分波器の大きさは、一片の大きさにして波長の2000倍以上あり、光と比べて波長の長いテラヘルツ波では、極めて大きくなってしまう、という課題があります。例えば、300ギガヘルツ帯では、約2メートルもの大きさになります。また、通常の電子回路で利用される金属配線で合分波器を構成しようとすると、テラヘルツ帯では信号が吸収されて小さくなってしまうため、テラヘルツ帯では小型で実用的な合分波器は実現されていませんでした。

本研究グループでは、誘電体としてのシリコンに着目しました。抵抗率の高いシリコンはテラヘルツ波の吸収が極めて小さく、微細加工が可能な理想的な誘電体です。また、屈折率が高く、テラヘルツ波を強く閉じ込めることが可能なため、デバイスサイズの微小化も可能です。シリコン配線中を伝搬するテラヘルツ波には、シリコンからの染み出し成分が存在しますが、このシリコン配線に別のシリコン構造を近づけると、テラヘルツ波が空隙をまたいで乗り移ります（テラヘルツ波のトンネリング現象）。ここで、テラヘルツ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、テラヘルツ波が乗り移らない状況になりますが、空隙を狭くすると乗り移ります（図2）。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た設計を巧みに行うことで、周波数によってシリコン配線中を伝搬するテラヘルツ波の経路を分けることが可能です（図3）。このような設計指針に従い、300ギガヘルツ帯で動作する4チャネルの合分波器の開発に成功しました。その一片の大きさは波長のわずか25倍であり、通常の光通信用の合分波器と比較して、面積比で約1/6000に小型化されました。作製した合分波器にテラヘルツ送信器と受信器を接続し、通信実験を行ったところ、各チャネルにおいて、オンオフ変調方式で12ギガビット毎秒以上、すなわち、合計48ギガビット毎秒以上の通信実験に成功しました（図4）。今後、共鳴トンネルダイオードなどの送受信デバイスを集積化した小型テラヘルツ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ることで、6Gのさらに次世代の目標になると予想される1テラビット毎秒級の超大容量通信の実現にもつながります。また、本デバイスと同様の設計を行うことで、光通信用合分波器の小型化も可能です。

図3. 開発した合分波器の動作のイメージ。様々な周波数成分を含む広帯域なテラヘルツ波が開発した合分波器で4つの伝送チャネルから合成、もしくは、4チャネルに分離される。

図4. 開発した合分波器を用いたテラヘルツ通信実験の様子。

シリコン配線を用いた小型テラヘルツ機能デバイスの実現は、今後、経済発展と社会課題の解決の両立を目指す仮想空間と現実空間を高度に融合させたサイバーフィジカルシステムの実現において鍵となる超大容量通信技術が携帯端末やドローン、自動運転、航空宇宙応用など、様々なシーンにおいて実装されることが期待されます。