研究の背景

国内では第5世代（5G）移動通信システムによる商用サービスが始まりました。一方、世界ではすでに5Gの次の世代「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ます。調整可能なテラヘルツ波用フィルターは大型・高価なものが多く、小型・安価かつ高度なテラヘルツ波制御が可能なチューナブル・フィルターの実現が課題でした。メタマテリアルは、超微細構造体で構成される人工光学物質で、これまでの電磁波操作技術の限界を打ち破る革新的な人工構造体として注目されています。本研究では、メタマテリアル構造を微小機械で可変させることで、6Gに向けた新たなチューナブル・テラヘルツ波制御技術の開発に成功しました。

研究のポイント

図１に開発したチューナブル・フィルターの基本構造の模式図を、図２に製作したメタマテリアル単位構造部の顕微鏡写真を示します。可動梁上に形成された1本の金属棒構造と、それに直角な2本の平行金属棒構造が固定梁上に形成された構造でメタマテリアル単位構造が構成されます。金属には金が使われています。このメタマテリアル単位構造が2次元配列されています。静電気で駆動するMEMSアクチュエータに電圧を印可することで、静電引力によって可動梁上の金属棒が移動して固定梁上の平行金属棒に近づくため、共振周波数付近でのテラヘルツ波の透過率、位相が大幅に変わります。印可電圧を精密に調整することで、テラヘルツ波の特性を制御できます。また、メタマテリアル直下の基板が取り除かれているため、従来技術の問題であった基板の影響による透過率の低下や不要な干渉波形の発生を解消し、透明性の向上と不要な干渉波形の除去を実現しました。周波数1.832 THzのテラヘルツ波に対して、印可電圧に応じて透過率を38.8％の変調範囲で変えることに成功し、位相を25.3～47.8°の範囲で制御可能なことが示されました。

波及効果

MEMS製造技術を用いて作られるため小型・量産性に優れ、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可能になります。これらの利点を活かし、6Gの通信技術をはじめ、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応用が期待されます。また、電磁誘起透明化メタマテリル^注4はスローライト^注4やストップライト^注4を作り出すことができる特有なメタマテリアルとして注目されており、電磁誘起透明化現象を動的に制御できる本研究成果の技術は、量子コンピューターや光LSIを実現するための光メモリや光バッファとしての応用も大いに期待されます。

用語説明