Beyond 5G無線通信に向けた
有機電気光学ポリマーデバイス技術
情報通信研究機構 未来ICT研究所
神戸フロンティア研究センター
ナノ機能集積ICT研究室

主任研究員 梶 貴博
2021年10月14日

Beyond 5G社会でのテラヘルツ波の利用
5G (10-20Gbps @2020～)

Beyond 5G 無線通信↓

Beyond 5G (>100Gbps？@2030～?）↓•

Beyond 5G (>1Tbps？@2040～?）

光ファイバー無線 (RoF) リモートアンテナ

リモートアンテナ

光ファイバーXR (VR/AR/MR) 技術（サイバーとフィジカルの融合）

THz波

リモートアンテナ

超高速

超低遅延

光 ↔ THz 変換

超多数同時接続•

Beyond 5G通信技術
周波数
1 GHz
10 GHz

光ファイバー

100 GHz

5G (28 GHz)

Beyond 5G/6G
無線通信

モバイルフロント/バックホール
無線通信

1 THz

テラヘルツ(THz) 波(0.1-10 THz)

10 THz
近赤外分光

非破壊センシング

THz波【サイバーフィジカル社会】
Cyberspace

Cloud

Digital twin
AvatarPhysicalspace

オール光ネットワーク

2

Beyond 5Gにおける無線-光信号変換技術•

光ファイバー無線 (RoF) リモートアンテナ
光信号
リモートアンテナ
光ファイバー

【送信機】

THz信号

【受信器】
T/O

O/T

(0.1-10 THz)

モバイルフロント/バックホール
無線通信
THz信号

THz信号

光信号

光信号

THz信号

•

光↔無線信号 相互変換技術

UTC-PD(単一走行キャリアフォトダイオード) など.

光変調器

増幅器

THz
検出器/RFミキサ

光ファイバー

THz光変調器
光信号

光信号

課題 【受信器】
THz信号 → 電気信号 → 光信号 変換が必要 (複雑な機構、帯域の制限、大きな装置サイズ、高コスト)

THz信号 → 光信号 直接変換デバイス（無線-光信号変換デバイス）の研究開発(シンプルな機構、超高速、超広帯域、超低遅延、外部電源不要、小型、低コスト)3

電気光学 (EO) ポリマーテラヘルツデバイス
EOポリマーTHzデバイス
THz波✓ 高効率 THz波 受信・発生

変調された
出力光

✓ 超広帯域（0.1-10 THz以上）✓ 光信号 ↔ テラヘルツ信号 変換✓ デバイス化、光集積レーザー光

有機EOポリマー
側鎖型EOポリマーの構造例•

大きなEO係数（r33 > ~100 pm/V）（↔ LiNbO3: 34 pm/V, DAST: 47 pm/V）•

低誘電率かつTHz帯と光領域での屈折率差が非常に小さい•

THz帯での比較的小さな吸収係数•

マイクロ・ナノ加工によるデバイス作製が可能

ポリマー骨格EO分子

4

EOポリマーのポーリング
電場による電気光学（EO）分子の配向化（ポーリング）
ランダムな配向

ポリマー骨格EO分子

EO分子の配向化

配向を固定化
冷却加熱

EpVp
ポリマー

EO分子

Tg (ガラス転移温度）
T (温度）Ep (ポーリング電場)

5従来技術：デバイス構造を作製後にポーリングクラッド上へのコア層の塗布

フォトレジストパターン

RIE

EOポリマー

導電性クラッド

コア上へのクラッド層の塗布

ポーリング
RIE加工後のEOポリマー断面SEM像

導電性クラッドVp

1 mm→ ポーリング電極や導電性クラッドによるTHz波の吸収損失、デバイス構造における制約（電極間距離や電極配置の制約）が大きな課題

6

提案技術：ポーリングされたEOポリマーの転写
従来技術

提案技術

⚫ デバイス構造を作製後にポーリング⚫ 予めポーリングを行ったEOポリマー膜の転写・接合【導波路型】
熱プレス転写【導波路型】
EOポリマー（→ 高Tgポリマーの使用）

金属アンテナポーリングされた
EOポリマー膜

THz波低吸収損失材料

電極

導電性クラッド(シクロオレフィンポリマー等)→ 電極や導電性クラッドによるTHz波の吸収損失✓ THz波低吸収損失材料を用いたデバイス作製が可能✓ 柔軟なデバイス構造→ デバイス構造の制約（電極間距離や電極配置の制約）✓ 量産化へ適用可能
T. Kaji, Y. Tominari, T. Yamada, S. Saito, I. Morohashi,
A. Otomo, Optics Express, 26, 30466 (2018)7試作例：100 GHz帯光変調デバイス
ギャップ埋め込み型パッチアンテナアレイを有する
アンテナ結合型光変調器

T. Kaji, I. Morohashi, Y. Tominari, N. Sekine,
T. Yamada, A. Otomo, Optics Express, 29, 29604 (2021)

g = 5 µm

COP: シクロオレフィンポリマー

Tg = ~160℃✓ 低誘電率材料 (EOポリマー, COP) の使用 → 大きなアンテナサイズ✓ 小さな導波路サイズ (~1.6 µm) → 小さなアンテナ-導波路間の距離 (~2.6 µm)

8有限要素法による電磁場シミュレーションE0

導波路位置でのEz電場強度

COPの損失: tanδ < ~0.003✓ 電場増強率 (Ez /E0): ~90倍 (@100 GHz)✓ 3 dBバンド幅: >6 GHz
9

デバイスの動作解析 (1アンテナ素子)
EO効果による実効屈折率の微小変化

RF波

123
 ne ( x, t ) = − nEO
r33 Ewg ( x, t )Γ: フィールド相互作用ファクター

入射RF電場①0
ERF = ERF
sin ( k RF x sin  − RF t )

A

上面図
y

ERFx

レーザー光 ①

Ewg/ERF: 電場増強率、 θ: 入射角度

光位相シフトL (t0 ) = kop   ng ( x, t ( x))dx
0t' ≈ (ng/c)x + t0
断面図

ERF

AE10

デバイスの動作解析 (複数アンテナ素子)

②①・・・

RF波

光位相シフト (アンテナ数: N)

AAs =0sLA断面図・・・

ERF

・・・x

レーザー光 ①sLA + L

N (t0 ) =  

上面図yN −1LA

 ng ( x, t ( x))dx

t' ≈ (ng/c)x + t0
ERF

AEL

②・・・

11

デバイスの動作解析 (複数アンテナ素子, 位置シフトあり)
・・・②’

光位相シフト (アンテナ数: N’=2N)RF波②2' N (t0 )  2  N (t0 )

①’①

断面図
AA

B

B

上面図yA・・・

ERF

E・・・x

レーザー光 ①

ERF

LA/2L

ERF
B

①’E②・・・②’12

アレイアンテナデバイスによる光位相シフト
LA/2 = 0.88 mm, L = 0.48 mm

・・・

②’

RF波

①’①AABB

上面図y・・・

ERF

・・・x

レーザー光

①LA/2

L

N’ = 10
N=5N=1

Optical phase shift (mrad)②①’②・・・②’

光位相シフト (アンテナ数: N)N −1sLA + L

s =0sLAN (t0 ) =   ng ( x, t ( x))dx

t0 (ps)
光位相シフト (アンテナ数: N’=2N)

2' N (t0 )  2  N (t0 )13

転写法を用いたデバイス作製プロセス① グラウンド電極とCOPを有するSi基板の作成② ポーリングされた
EOポリマーの転写・接合•③ 導波路加工④ 上部クラッド、金アンテナ、表面保護層の形成

表面活性化、熱プレスにより接合強度を向上

14試作した100 GHz帯光変調デバイス
金パッチアンテナ
アレイ(N’=10)

W = 1.6 mm
g = 5 µm

LA/2 = 0.88 mm

EOポリマー導波路

L = 0.48 mm

デバイス長: 10 mm
COP
グラウンド電極

Tg = ~160℃、r33 = ~36 pm/V @ 1550 nm

15断面SEM画像
反射電子SEM画像•

小さなアンテナ-導波路間の距離 (~2.6 µm) (モードフィールドサイズ: ~2 µm)

16デバイス評価装置

17

100 GHz帯照射実験の結果
LA/2 = 0.88 mm, L = 0.48 mm, W = 1.6 mm

at 100 GHz•

キャリアサイドバンド比 56 dB (m=3 mrad) を観測 (パワー密度: 12.8W/m2)•

3 dB帯域幅：~6 GHz•

カップリング損失と伝搬損失の合計：~15 dB（→ ~7 dB（伝搬損失: 3 dB/cm）まで改善可能）

CSR 

4 
2
=20logm 2 m  dB

18

デバイスの指向性
LA/2 = 0.84 mm (計算)6 x Active
Multiplier

0.88 mm(実験)CSR (dB)＋θ －θ● LA/2 =LA/2

LA/2 = 0.88 mm (計算)LA/2 = 0.92 mm (計算)
Laser input

at 100 GHz

EO polymer
deviceIrradiation angle θ (°)•

LA/2=0.88 mm のとき、θ=-2° (設計: θ=0° )で最小のCSR(→ 指向性はアンテナ周期LAに依存)•

モバイルフロントホール/バックホールの無線化で有用
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試作例：THz波発生デバイス

EOポリマー
スラブ導波路d=
4.5 μm

シクロオレフィン
ポリマー(COP)

L = 0.5 mm

ポンプ光（1.56 mm, <100 fs,50 MHz, 20 mW,
シリンドリカルレンズで照射)デバイスの外観

THzスペクトル

IntnsityTHz波

THz signal（ΔI/I0)

THz波の時間波形

EOポリマーTHz波発生デバイス

Time（ps）

Frequency（THz）

・ 小型ファイバーレーザーを用いたスペクトルギャップフリーのTHz波発生
転写法を用いたデバイス作製プロセス

断面SEM画像

T. Kaji, Y. Tominari, T. Yamada, S. Saito, I. Morohashi,
A. Otomo, Optics Express, 26, 30466 (2018)20

企業への期待• 本技術により、Beyond 5G向けテラヘルツ受信デバイス（無線-光信号変換デバイス）等の作製、量産化への展開が可能• 高効率化、高周波化に向けた改良を実施中であり、無線通信の実証実験も予定• 実用化、量産化に向けた共同研究の実施• Beyond 5Gでの標準化における連携21

本技術に関する知的財産• 発明の名称：電気光学ポリマー層を含む非線形光学用積層体及びその製造方法• 出願番号 ：特願2019-537669• 出願人 ：情報通信研究機構• 発明者 ：梶 貴博、富成征弘、山田俊樹、大友 明

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お問い合わせ先23