テラヘルツ波集積回路の実現へ向けたフォトニック結晶デバイスの研究
Photonic-crystal devices towards terahertz-wave integrated circuits

１．はじめに電波と光波の境界領域のおよそ 0.1 THz から 10 THzの周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波は、21 世紀に人類に残された未開拓の電磁波として注目されている[1] - [5]。この周波数を光子のエネルギーに換算す
ると、結晶格子の振動や分子間振動、気体の回転など、固体系や分子系、気体など、様々な物質のエネルギー

冨士田 誠之 (Masayuki FUJITA, Ph. D.)

固有状態に相当するため、それぞれの物質に現われる

大阪大学大学院 基礎工学研究科 准教授

特徴的な吸収スペクトル（指紋スペクトル）を利用し(Associate Professor, Graduate school of engineering science,
Osaka University)た物質の分析を行う分光センシングの研究が盛んに行

応用物理学会 電子情報通信学会 レーザー学会 光化学協会 IEEE

われている。また、テラヘルツ波は光と電波の中間領受賞：応用物理学会講演奨励賞 (2000 年) EMS 賞 (2005 年) 応用物理学域にあるため、可視光に対しては不透明な物質にも電会論文奨励賞 (2006 年) 光科学技術振興財団研究奨励賞 (2007 年) レー波的な透過性を有するとともに、高いエネルギーを有ザー学会業績賞(論文賞) (2007 年) 大阪大学総長奨励賞 研究部門 (2013年, 2014 年, 2015 年) 他

する X 線のような物質へのダメージは回避することが著書: ナノシリコンの最新技術と応用展開(分担) シーエムシー出版 (2010できる。その一方で、電波と比較すると波長が短いた年) フォトニックナノ構造の最近の進展(分担) シーエムシー出版 (2011年) ナノインプリント技術(分担) 電子情報通信学会 (2014 年)

めに回折が小さく、空間分解能が高い非破壊の 3 次元研究専門分野：光量子エレクトロニクス

イメージングも可能である。さらには、携帯電話や無線 LAN 等で利用されている GHz 帯のマイクロ波と比較して、周波数が高いテラヘルツ波の広帯域を活かした超高速無線通信の実現が期待されている。このように、様々な応用が期待されているテラヘルツ波であるが、それらの応用システムを構成するには、光源、検あらまし近年、電波と光の境界領域の周波数（0.1 -出器、導波管、レンズといった様々な個別部品が必要10 THz）を有する電磁波であるテラヘルツ波に関して、である。しかしながら、これらの部品を組み合わせて分光センシング、非破壊イメージングや超高速無線通いくと、システムが大型で煩雑となってしまう。その信などの応用が注目を集めている。しかし、現状、テため、今後のテラヘルツ波の様々な分野における利活

ラヘルツ波を利用する各種システムのほとんどは、個用と実用化に向けて、小型集積化が可能な薄膜かつ平別部品の組み合わせで構成されており、今後、その小面構造へ低損失にテラヘルツ波を閉じ込め、自在に操型・集積化が期待される。ここで、マイクロ波帯で実作するための新たな基盤技術の開発が期待される。

績のある金属配線による集積技術をテラヘルツ帯に適回路中において配線となり、情報を伝達させる伝送用する場合には、金属による伝搬損失が深刻な問題と路は、最も基盤となる受動デバイスである。ここで、なる。そこで、本研究では、テラヘルツ波を誘電体薄テラヘルツ帯では、光と電波の中間領域ゆえ、双方の膜構造へ極低損失で閉じ込め可能なフォトニック結晶技術の適用が考えられる。しかし、レンズやミラーなをテラヘルツ波集積回路のプラットホームとして着目

どの光学部品は、空間伝搬用の部品であり、大型かつした。本稿では、フォトニック結晶デバイスの最も基立体構造である。また、電波領域で用いられる中空金礎となるフォトニックバンドギャップ効果と、集積回属導波管[6]は、微細な立体構造であるため、複雑な集路の基盤をなす受動デバイスである伝送路の 0.3 THz積化には向かない。さらに、マイクロ波集積回路で使帯における実証結果に関して述べ、その伝搬損失がわれる平面金属線路は、周波数がテラヘルツ帯まで高0.1 dB/cm 以下と小さく、テラヘルツ波集積回路の実くなると、金属による損失の影響が大きくなる[7] -現に向けて有望であることを示す。

[11]という問題がある。ここで、誘電体の微細周期構
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造からなるフォトニック結晶、特に、半導体薄膜に 2子を採用し、厚み方向が多モードにならない条件を考慮次元周期の孔を形成したフォトニック結晶スラブは、して、スラブの厚さは 200 μm とした。図 1 に、フォト平面構造にも関わらず、3 次元的なモードの制御が可ニック結晶の周期 a に対するフォトニックバンドギャッ能[12]であるため、低損失なテラヘルツ波の閉じこめプの周波数依存性の電磁界シミュレーション計算結果をが期待でき、テラヘルツ帯の集積プラットホームとし示す。孔の半径 r = 0.3a とし、電界がスラブ面内に存在て有望である。

する偏波を想定している。図 1 より、周期を 200 μm か本稿では、まず、フォトニック結晶の最も基礎となら 280 μm とすることで、中心周波数 0.30 THz から 0.40るフォトニックバンドギャップ効果のテラヘルツ帯でTHz、帯域幅 0.07 THz から 0.10 THz のフォトニックバの設計と実証結果に関して述べる。次に、0.3 THz 帯ンドギャップが形成されることがわかった。

におけるテラヘルツ波フォトニック結晶導波路の設計と、その伝搬損失の評価に関して述べ、通信応用の結果を紹介する。
２．テラヘルツ帯フォトニックバンドギャップ効果の実証
フォトニック結晶は、固体結晶と同様に、周期性を有する誘電体の微細構造である[13]。固体結晶中の電子の振る舞いが、原子の周期的なポテンシャルエネルギーを起源とするエネルギーバンドに従うように、フォトニック結晶中の電磁波は、周期的な誘電率分布の図１影響を受け、自由空間中とは異なるフォトニック結晶

フォトニック結晶の周期に対するフォトニックバンドギャップ帯の理論解析結果で決定されるフォトニックバンドに従ったモードで発生、伝搬する。このようなフォトニック結晶の基本的かつ最も重要な特長として、電磁波が存在できない状

上記の設計を元に、4 インチの高抵抗シリコン基板態を与えるフォトニックバンドギャップ効果[12]が挙を用いて試料の作製を行った。作製には、フォトリソげられる。

グラフィー、プラズマエッチングといったマイクロマ

本研究では、特に、半導体薄膜に 2 次元周期の孔をシンの作製技術を用いた。図 2 に、作製した試料の写形成したフォトニック結晶スラブに着目した。この構造真を示す。図 2 に示すように、厚さ 200 μm のシリコ

では、平面構造にも関わらず、3 次元的なモードの制御ン基板（光波領域のフォトニック結晶の典型的な厚さが可能であるため、低損失なテラヘルツ波の閉じこめがの約 1000 倍）に対して、良好な形状のフォトニック期待できる[14]。また、成熟した半導体プロセスを用い結晶スラブが作製可能なことが示された。

ることで、高精度な作製結果も期待できる。まずは、無作製した試料の透過特性をテラヘルツ波時間領域分線通信・イメージング応用の進んでいる 0.3 THz 帯で、光系で測定した結果を図 3 に示す。フォトニック結晶

フォトニック結晶の基礎となる前述のフォトニックバン面内の代表的な 2 方向（Γ-J 方向、Γ-X 方向）に関しドギャップ効果が現われるような設計を行った[15]。こて、透過率の低い周波数帯がフォトニックバンドギャ

こで、フォトニックバンドギャップの帯域幅は、誘電体ップの理論値とよく一致した。また、周期 a が変化すの屈折率に依存するため、高屈折率材料が望ましい。そるにつれて、フォトニックバンドギャップの周波数が、こで、テラヘルツ帯で高い屈折率を有し、材料吸収の小理論と実験に対応して変化する結果が観察され、確かさい高抵抗シリコンを用いることにした。また、対称性に 0.3 THz 帯のフォトニックバンドギャップ効果が得の高さからフォトニック結晶の周期構造には円孔三角格られることが実証できた。
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図２ 作製したテラヘルツ帯フォトニック結晶

図３ フォトニックバンドギャップ(PBG)効果の測定結果

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３．極低損失フォトニック結晶テラヘルツ波伝送路
図 4 に示すように、2 次元フォトニック結晶スラブの周期構造中へ Γ-J 方向に孔を埋めた構造（線欠陥）を導入すると、線欠陥の部分にはテラヘルツ波が存在でき、面内のモードを禁止するフォトニックバンドギ
ャップ効果でテラヘルツ波が線欠陥へ閉じ込められ、テラヘルツ波の伝送路として働く。加えて、上下方向は、シリコンと空気の大きな屈折率差に起因する全反射効果でテラヘルツ波を伝送路中へ強く閉じ込めることが可能である。
ここで、単位長さあたりの伝搬損失を見積もるため

図４に、伝搬長が 2 cm, 3 cm, 5 cm, 8 cm, 20 cm, 50 cm とフォトニック結晶伝送路の概念図

異なる伝送路を、前節と同様にマイクロマシンの作製技術で作製した。
ミリ波発振器、逓倍器、スペクトラムアナライザ、テラヘルツ波ミキサ、WR-3 中空導波管で構成されるエレクトロニクスベースの分光システムを用い、作製した伝送路を伝送路の端に形成したテーパー構造を介して導波管と接続し、周波数を 0.28 THz から 0.39THz の範囲で変化させ、透過特性を測定した[16]。ここで、導波管同士を直接接続した場合を透過率の基準とした。
抵抗率 20 kΩcm の基板を用いた際の長さ 2 cm の伝図５

送路の透過率の測定結果を図 5 に示す。0.313 THz か

フォトニック結晶伝送路の透過スペクトルら 0.390 THz までの 77 GHz の範囲で、全体の損失が4 dB 以下である。特に、伝搬モードが全反射条件を満たす 0.320 THz から 0.331 THz の周波数では、0.4 dB以下と損失が非常に小さい。ここで、0.313 THz 以下
では、群速度が小さくなる影響で損失が大幅に増大している。
長さの異なる導波路に関して、同様の透過率の測定を行い、各周波数に関して伝搬長に対する損失のグラフを描き、その傾きから単位長さ辺りの伝搬損失を見積もった。抵抗率 20 kΩcm のシリコン基板を用いた際の 0.31 THz から 0.34 THz における伝搬損失の評価
結果を図 6 に示す。0.318 THz から 0.335 THz で伝搬損失が 0.2 dB/cm 以下であり、その最小値は、0.33 THz
図６において 0.04 dB/cm であった。
ここで、フォトニック結晶伝送路の伝搬損失は、構

フォトニック結晶伝送路の伝搬損失の測定結果

造損失と材料損失に分類できるが、全反射条件を満た4TELECOM FRONTIER No.89 2015 AUTUMN

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す周波数帯では、理想的には構造損失はフォトニック以上、述べてきたテラヘルツ波フォトニック結晶伝バンドギャップ効果により面内の漏れがないため生じ送路の低損失性の有効性をテラヘルツ波通信で示すたない。一方、材料損失としては、フォトニック結晶をめ、長さ 50 cm、28 回曲げを有する試料でギガビット構成するシリコン中の自由キャリアによる吸収損失が級のデータ通信実験を行った。その結果、非圧縮ハイ考えられる。実験的に抵抗率が異なる試料で、前述のビジョン映像の伝送に適した 1.5 Gbit/s の通信に成功

方法と同様にして単位長さ当たりの伝搬損失を求めるし、図 8 に示すように、非圧縮ハイビジョン映像のリともに、シリコン中の自由キャリアに関するドルーデアルタイム伝送にも成功した[16]。

モデル[17]に基づいてシリコンの抵抗率から複素誘電率を算出し、有限時間領域差分シミュレーションで各抵抗率に対する伝搬損失を求めた。
図 7 に、0.33 THz におけるシリコン基板の抵抗率に対する伝搬損失の関係を示す。抵抗率が上がるほど、キャリア密度が低下することでシリコンの吸収係数が減少し、伝搬損失が低下するという結果が得られた。
抵抗率が 20 kΩcm のとき、伝搬損失は 0.04 dB/cm となった。この値は、これまでに報告されている平面金属線路の 0.3 THz 帯における報告値（4 - 25 dB/cm）よりも 2 桁以上小さい。さらには、著者が知る限りで

図８

は、この値は光波領域におけるフォトニック結晶導波フォトニック結晶伝送路を用いたテラヘルツ波通信の様子路（2 - 100 dB/cm）[18] - [28]も含むあらゆるフォトニック結晶伝送路の中で、最小の値である。以上、示してきた実験値とシミュレーション結果の良い一致は、

４．まとめ

光波領域では生じている加工による構造損失が、テラフォトニック結晶スラブにおいて、0.3 THz 帯のフヘルツ波帯のフォトニック結晶伝送路では、無視できォトニックバンドギャップ効果を実証した後、最も基るほど小さいことを示唆している。

本的な受動デバイスである伝送路を作製した。その結果、最小伝搬損失 0.04 dB/cm を実現した。さらに、長さ 50 cm の伝送路で 1.5 Gbit/s のテラヘルツ波通信にも成功した。極低損失性を有する伝送路を平面内に半導体加工技術で作製できるため、フォトニック結晶スラブは、テラヘルツ波集積回路のプラットホームとして有望だと結論できる。

謝辞
本稿の内容は、大阪大学 永妻忠夫教授、芦田昌明教授、永井正也准教授、大学院生 石垣司、鶴田一魁、垣図７

見亮磨、隅倉麻子、矢田将大の諸氏との共同研究の成シリコンの抵抗率に対するテラヘルツ帯フォトニック結晶伝送路の伝搬損失果であり、ここに関係各位に深く感謝する。

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この研究は、平成２３年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２４～２５年度に実施されたものです。

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