超音波を操るフォノニック結晶：信号増幅するメカニカル素子、通信機器に応用も

NTTと東北大学は、フォノニック結晶と呼ばれる音波の人工結晶を用いて、信号波形の圧縮に成功した。

　NTTと東北大学は2018年4月6日、フォノニック結晶と呼ばれる音波の人工結晶を用いて、信号波形の圧縮に成功したと発表した。開発した技術を高周波フィルター素子などの信号処理デバイスに応用すると、小型、高集積化や高機能化が可能となる。

　最新の移動体通信システムは、送受信した高周波信号の処理に、AW（表面弾性波フィルター）や発振素子などのMEMS振動子を用いることが多い。NTTはこれまで、MEMS振動子の製造技術をベースにフォノニック結晶を作製し、超音波振動の伝搬を制御する技術の研究を行ってきた。

超音波振動の伝搬速度や波長の制御が可能に

　NTTは今回、独自構造のフォノニック結晶導波路を作製した。ガリウムヒ素（GaAs）の多層膜で構成され、導波路端には電極を設けた。この電極に電圧を印加すると、局所的に超音波振動が生成される。この超音波によって薄膜が上下に振動し、導波路を伝わるという。

フォノニック結晶導波路の模式図 出典：NTT、東北大学

フォノニック結晶の群速度分散。丸が実験結果、実線が計算結果 出典：NTT、東北大学

　薄膜の周期孔は、その間隔を調整することで、振動の分散特性を制御することが可能である。そこでNTTらは、作製したフォノニック結晶を用いて振動の伝搬特性を測定。フォノニック結晶が有する群速度分散特性を実験で明らかにした。入力信号の周波数変調パラメーターと、分散の各符号や値の組み合わせを最適化することにより、狙った位置やタイミングで振動波形の圧縮を実現できることが分かった。

　実験の結果から、エネルギー換算で振動強度が一桁も大きく増幅されることを確認した。使用した測定器自体には性能限界があり、これを改善することでさらに強い圧縮と大きな増幅を実現できる可能性があるという。波形の変化はシュレディンガー方程式で記述される理論式と極めて近いことが分かった。さらに、異なる周波数をもつ振動間の相互作用を実験で検証し、素子の非線形特性を評価することにも成功した。

左は周波数5.8MHzにおける振動波形幅の伝搬距離依存性を示す図、右はC=9.7時における波形の時間領域応答を示す図 出典：NTT、東北大学

　研究チームは今後、素子の非線形効果を活用してソリトンをはじめとする、より高度な波形制御を実証する計画だ。さらに、素子の微細化を進め、ギガヘルツ級の超音波振動で動作するフォノニック結晶素子の作製に取り組む。その上で、MEMS信号処理システムにおける増幅器や演算素子としての利用可能性を探る方針である。