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» 2010年09月08日 00時00分 UPDATE

プロセス技術 THz帯デバイス:解決の鍵は思わぬところに、室温でのTHz基本波発振を初めて実現 (1/2)

未開拓の周波数領域と呼ばれる「THz帯(100GHz〜10THz)」に関連した研究に大きな進展があった。

[前川慎光,EE Times Japan]

 未開拓の周波数領域と呼ばれる「THz帯(100GHz〜10THz)」に関連した研究に大きな進展があった。東京工業大学大学院総合理工学研究科の物理電子システム創造専攻の教授である浅田雅洋氏の研究グループは、THz帯の電磁波を室温で直接発生させる電子デバイスを開発した(図1図2*1)。

 一般に、電磁波を発生させたとき、中心となる基本波の他に、基本波の周波数を2倍、3倍と逓倍(ていばい)した電磁波が発生する。今回は、1.04THzの電磁波が基本波発振したことを確認した。出力電力は約7μWである。「室温においてTHz帯を基本波発振で実現した電子デバイスは業界初」(同氏)。「共鳴トンネルダイオード(RTD:Resonant Tunneling Diode)」と呼ぶ電子デバイスの改良を進めることで実現した*2)

*1) NTTフォトニクス研究所と共同で開発した。

*2) 複数の素子を組み合わせるのではなく、固体素子単体でTHz帯の電磁波を発生させることを目指すデバイスには、共鳴トンネルダイオードを使ったデバイスのほかにも複数の種類がある。例えば、「タンネット/ガンダイオード」や「HBT/HEMT」、「ジョセフソン素子」、「量子カスケードレーザー」などである。

図1 図1 室温でTHz帯の基本波発振を実現 1.04THzの電磁波を基本波発振で発生させたことを確認した。出力電力は約7μWである。写真は試作した電子デバイスの外観。

材料分析などTHz帯の用途は多い

 室温動作と基本波発振という、今回開発したTHz発生デバイスの2つの特徴は、THz帯を利用した機器を実用化するとき、重要な項目である。

 THz帯が未開拓の周波数領域と言われているゆえんは、現在ほとんど活用されていないからだ。THz帯よりも周波数が低い電波や、THz帯よりも周波数が高い光がさまざまな用途に使われているのとは対照的である。とはいえ、THz帯の使い道は幅広い。THz帯には、他の周波数帯にはない特有の透過特性がある。また、THz帯に対して特有の吸収スペクトルを持つ有機物は多い。このようなTHz帯ならではの特徴を生かした用途が数多くあり、例えば、危険物検出や化学やバイオ分野での材料分析が代表例だ。さらには、「将来的に、超高速の無線通信に使われる可能性もある」(浅田氏)。0.1THz〜1THzをキャリア周波数に使えるならば、データ伝送速度が10Gビット/秒〜100Gビット/秒という超高速のデータ通信も夢ではない。今後、THz帯を幅広く活用するには、THz帯を発生させる電子デバイスそのものの技術進展が、大きな課題とされていた。

 THz帯発生デバイスが室温で動作すれば、冷却機構は不要になり、機器の小型化が見込める。また、THz帯の基本波発振を実現したことで、これまでに比べて高い出力電力が得られ、しかも周波数フィルタが不要になる。

図2 図2 試作したTHz発生デバイスの拡大図

 浅田氏の研究グループは、0.34THzの周波数を室温で基本波発振させ、第3高調波に相当する1.02THzの電磁波を抽出するという研究成果を2005年に発表していた。このときは、基本波と第2高調波を遮断する周波数フィルタが必要だった。また、高調波になるほど出力が低下してしまうため、第3高調波では高い出力が取り出せず、出力電力も0.6μWと小さかった。

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