東北大がメタマテリアルで6G通信向け周波数チューナブルフィルターを開発：研究開発の最前線

東北大学は、次世代の第6世代移動通信システム通信帯で利用できる周波数のチューナブルフィルターを開発したと発表した。

[遠藤和宏，MONOist]

　東北大学は2024年2月19日、次世代の第6世代移動通信システム（6G）通信帯で利用できる周波数のチューナブルフィルターを開発したと発表した。

　今回の研究は、東北大学大学院 工学研究科ロボティクス専攻 教授の金森義明氏や特任助教のYing Huang（イン ホワン）、大学院生（研究当時）のYangxun Liu（ヨウコンリュウ）氏、助教の岡谷泰佑氏、准教授の猪股直生氏らのグループが務めた。

スキャニングやイメージングへの応用展開に期待

　同研究グループは、機械式の屈折率可変メタマテリアルをファブリペロー共振器内に搭載した周波数チューナブルフィルターを実現し、6Gに向けた新たなチューナブルテラヘルツ（THz）波制御技術の開発に成功した。吸収損失の少ない高抵抗シリコンで構成されており、高い透過率を達成している。

　開発した周波数チューナブルフィルターは、シリコン半導体微細加工技術を用いて製造できるため、機械的信頼性や小型化、量産性に優れる。2枚のシリコンミラーから成るファブリペロー共振器内にシリコン製の機械式屈折率可変メタマテリアルを搭載した構成になっている。どちらも高抵抗シリコンで構成されているため、制御対象とする周波数0.3THz近傍の電波の吸収損失はほぼ無く、高いピーク透過率を実現する。

開発したチューナブルフィルターの断面模式図（左）と 機械式屈折率可変メタマテリアルの模式図（右）［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　周波数チューナブルフィルターに入射した電波は、不要な周波数の電波が除去されて、必要な周波数の電波のみを透過する。伸縮機構を備えた機械式屈折率可変メタマテリアルを機械的に変形させることで透過周波数をチューニングできる。

　機械式屈折率可変メタマテリアルは、バネにより自己支持されたサブ波長格子構造が固定端と可動端に連結されており、可動端を動かすことでサブ波長格子の周期を変えられる。

　周波数チューニングの動作原理に関して、サブ波長格子の周期が変わると機械式屈折率可変メタマテリアルの屈折率が変化する。ファブリペロー共振器の透過スペクトルは、機械式屈折率可変メタマテリアルの屈折率変化に応じてシフト可能。そのため、ファブリペロー共振器内の屈折率を人工的に精密制御して狙った周波数の電波を透過させられる。

周波数チューニングの動作原理、周期と屈折率の関係（左）と屈折率による周波数シフト（右）［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　機械式屈折率可変メタマテリアルのサブ波長格子は、シリコンで構成され空隙は空気で満たされており、サブ波長の周期を100μから150μmまで可変させられることが分かっている。周期制御による屈折率と周波数のチューニング特性に関して、100μ〜150μmの周期変化に応じ、メタマテリアルの屈折率を1.50〜2.08の範囲で変えられ、ピーク周波数を0.303〜0.320THzの範囲で制御できる。さらに、周波数0.303THz付近で、従来技術（約60〜70％）よりも高いピーク透過率である87％が得られることも判明している。

製作したサブ波長格子構造の顕微鏡写真［クリックで拡大］ 出所：東北大学

周期制御による屈折率と周波数のチューニング［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　シリコン半導体微細加工技術を用いて作られるため小型／量産性に優れるという利点を生かし、将来は電子回路や半導体と組み合わせてテラヘルツ波の高度な制御が実現できるとみている。6Gの通信技術をはじめ、テラヘルツ波を利用したスキャニングやイメージングへの応用展開が期待でき、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活用を想定している。

研究の背景

　国内では2020年3月に第5世代（5G）移動通信システムの商用サービスがスタートした。一方、米国、韓国、欧州、中国、日本を中心に2030年代の実用化を目指して5Gの次の世代である6Gを見据えた研究開発が始まっており、テラヘルツ波が使用されることが明示されている。

　6Gでは0.3THz近傍の周波数帯の電波が用いられることが想定されており、ノイズとなる不要な周波数の電波を除去して、必要な周波数の電波を選択的に通過させる周波数チューナブルフィルターが必要となる。ファブリペロー共振器は2枚の高反射ミラーで構成される、よく知られた周波数選択性フィルターだ。ファブリペロー共振器を通過する透過波は、共振周波数で最大強度になり、共振周波数から離れると急激に減衰する。

　加えて、ファブリペロー共振器で従来採用されてきた周波数の動的制御法である、2枚のミラー間の距離を調整する方式や共振器内に液晶を充填する方式では、ノイズ除去性能が低いことや電波の減衰という課題があった。

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