2015 Fiscal Year Annual Research Report
フォトニック結晶を基盤とするテラヘルツ波平面回路の研究
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26289104
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
冨士田 誠之 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (40432364)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | フォトニック結晶 / テラヘルツ / 集積回路 / 通信 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，電波と光波の境界領域の周波数を有するテラヘルツデバイスを小型集積化するための基盤技術として，微細構造フォトニック結晶に着目し，これまでに世界最小の伝搬損失の実現してきた伝送路の研究を発展させるとともに，合波および自由空間との入出力といった機能を集積化したテラヘルツ波平面回路の実現を目指している．
今年度は昨年度に引き続き，フォトニック結晶の基本構造として，フォトニック結晶の格子定数を240 μmとした2 次元円孔三角格子を高抵抗シリコンウエハへと形成した構造を採用した．このフォトニック結晶に一列線欠陥を形成した基本となる伝送路に関して，分散曲線から得られる最大の群遅延差から，伝送帯域の周波数依存性を解析した．長さ1 cmとしたとき，伝搬損失を2 dB/cm以下まで許容するならば，0.37 THz付近において，30 GHz以上の伝送帯域が得られることがわかった．
分合波機能に関しては，平行に2本並べた伝送路間の方向性結合のメカニズムを利用した構造を作製した．作製したデバイスを用いて，0.32 THzと0.33 THzという二つの異なるキャリア周波数にて，分合波機能によって，通信経路が切り替わるようなテラヘルツ波通信実験を行った．その結果，ハイビジョン映像の非圧縮伝送に適した1.5 Gbit/sでのデータ伝送に成功した．
自由空間との入出力機能として，1 次元周期構造を有するフォトニックカプラと前述のフォトニック結晶伝送路がテーパー構造を介して接続された構造を作製した．作製したデバイスを用いて，フォトニック結晶伝送路を伝播し，フォトニックカプラから自由空間に出力される0.33 THzのテラヘルツ波をホーンアンテナで受信するという形態でテラヘルツ波無線通信実験を行い，1.5 Gbit/sでのデータ伝送に成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，テラヘルツ波フォトニック結晶を用いたフォトニック結晶伝送路の通信帯域の見極めと，フォトニックカプラおよび，方向性結合器から構成される合分波器をそれぞれ，伝送路と集積化させ，テラヘルツ通信系にて通信実験を行うことが，主な研究目的であった．
伝送路に関しては，伝送帯域の周波数依存性を解析し，テラヘルツ通信で期待される数10 Gbit/sの通信が0.3 THz帯のフォトニック結晶で可能であるという知見と，伝搬損失と帯域とのトレードオフの関係を明らかにでき，前述の目的を達成することができたと言える．
フォトニックカプラに関して，伝送路とカプラをテーパー形状で集積化した構造を作製し，0.3 THz帯において，1.5 Gbit/sの無線通信実験を行うことに成功した．
合分波器に関しても，伝送路と集積化した構造を作製し，0.32 THzと0.33 THzで分合波機能により通信経路が切り替わるというテラヘルツ波通信実験を1.5 Gbit/sで行うことに成功し，当初目標が達成された．
以上のように，今年度は研究目的が達成され，おおむね順調に研究を推進することができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度までの成果を受けて，今後も引き続き，対象周波数を大気によるテラヘルツ波の吸収の影響が比較的小さく，応用研究も先行する0.3 THz 帯とし，フォトニック結晶を基盤技術とするテラヘルツ波平面回路の研究を推進する．そして，フォトニックカプラと方向性結合器から構成される合分波器を融合させたテラヘルツ波送受信平面回路を実現することを目指す．
フォトニックカプラと方向性結合器を融合させたテラヘルツ波集積平面回路モデルを電磁界シミュレーションすることで，その伝搬特性を解析する．カプラと方向性結合器部分の接続に関して，まずは単純な伝送路での接続を試みる．その後，テーパー構造など，より高い効率が期待される構造を探索する．また，評価のための導波管との接続に関しては，高効率が得られるテーパー構造を導入する．
以上の検討の結果，得られる構造をファンドリサービスで作製し，テラヘルツ波分光計および通信系で損失およびビットレートの周波数特性を評価する．その際，複数のコンポーネントを組み合わせたことにより，回路内部での反射が生じ，伝搬・通信特性に影響する可能性もあるが，反射の原因を避けるため，吸収体等を導入することで，その影響を低減する構造も検討する．
最終的には，フォトニック結晶伝送路を用いた20 Gbps 級の通信実験を行い，フォトニック結晶の分散関係と損失の関係を明らかにして，テラヘルツ波フォトニック結晶のポテンシャルを示すとともに，大容量通信に向けた周波数多重化やより一層の広帯域動作を可能とするための設計指針を得ることを目指す．
以上の研究を通じて得られた結果をとりまとめ，本研究の成果の発表を国際学会および学術論文誌にて行う．
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| Causes of Carryover |
出版を予定していた論文の出版が予定よりも遅くなり，年度内に出版されなくなったため，当該予算を確保したので，次年度使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
論文が次年度に出版予定のため，次年度使用額を使用して，出版をさせる予定である．
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