新しいタイプのテラヘルツマルチプレクサにより、データ容量が 2 倍になり、前例のない帯域幅と低いデータ損失により 6G 通信が大幅に強化されました。
研究者たちは、データ容量を2倍にし、6G以降の通信に革命的な進歩をもたらす超広帯域テラヘルツ多重装置を発表しました。（画像提供：ゲッティイメージズ）
テラヘルツ技術に代表される次世代無線通信は、データ伝送に革命をもたらすと期待されています。
これらのシステムはテラヘルツ周波数で動作し、超高速データ伝送と通信に比類のない帯域幅を提供します。しかし、この可能性を最大限に実現するには、特に利用可能なスペクトルの管理と有効活用において、大きな技術的課題を克服する必要があります。
この課題は、画期的な進歩によって解決されました。基板フリーのシリコン プラットフォームで実現された初の超広帯域統合テラヘルツ偏光 (デ) マルチプレクサです。
この革新的な設計は、サブテラヘルツJバンド（220～330GHz）をターゲットとし、6G以降の通信の変革を目指しています。このデバイスは、低いデータ損失率を維持しながらデータ容量を実質的に2倍に増強し、効率的で信頼性の高い高速ワイヤレスネットワークへの道を開きます。
このマイルストーンを達成したチームには、アデレード大学電気機械工学部のウィタワット・ウィタヤチュムナンクル教授、現在大阪大学の博士研究員であるウェイジエ・ガオ博士、藤田正之教授が含まれています。
ウィタヤチュムナンクル教授は、「提案された偏波マルチプレクサにより、複数のデータストリームを同一周波数帯域内で同時に送信できるようになり、データ容量が実質的に倍増します」と述べています。このデバイスによって実現される相対帯域幅は、どの周波数範囲においても前例のないものであり、集積マルチプレクサにとって大きな飛躍を意味します。
偏波多重装置は、複数の信号が同じ周波数帯域を共有できるようにし、チャネル容量を大幅に向上させるため、現代の通信には不可欠です。
この新デバイスは、円錐状の方向性結合器と異方性実効媒質クラッドを用いることでこれを実現しています。これらのコンポーネントは偏光複屈折を強化し、高い偏光消光比（PER）と広い帯域幅を実現します。これらは、効率的なテラヘルツ通信システムの重要な特性です。
複雑で周波数依存性のある非対称導波路を用いる従来の設計とは異なり、この新しいマルチプレクサは、周波数依存性がわずかである異方性クラッドを採用しています。このアプローチにより、円錐型カプラによって得られる十分な帯域幅を最大限に活用できます。
その結果、比帯域幅は40%近く、平均PERは20dBを超え、最小挿入損失は約1dBとなります。これらの性能指標は、狭帯域幅と高損失に悩まされることの多い既存の光・マイクロ波設計をはるかに上回ります。
研究チームの研究は、テラヘルツシステムの効率を向上させるだけでなく、無線通信の新たな時代への基盤を築くものです。ガオ博士は、「この革新は、テラヘルツ通信の可能性を解き放つ重要な推進力となる」と述べています。その応用分野には、高解像度ビデオストリーミング、拡張現実（AR）、そして6Gのような次世代モバイルネットワークが含まれます。
従来のテラヘルツ偏波管理ソリューション、例えば長方形金属導波管をベースとした直交モードトランスデューサ（OMT）は、大きな制約に直面しています。金属導波管は高周波になると抵抗損失が増大し、厳しい形状要件のために製造プロセスも複雑になります。
マッハ・ツェンダー干渉計やフォトニック結晶を使用するものを含む光偏光マルチプレクサは、優れた統合性と低い損失を実現しますが、帯域幅、コンパクトさ、製造の複雑さの間でトレードオフが必要になることがよくあります。
方向性結合器は光学システムに広く使用されており、コンパクトなサイズと高いPERを実現するためには強い偏光複屈折が必要です。しかし、帯域幅が狭く、製造公差の影響を受けやすいという制約があります。
この新しいマルチプレクサは、円錐型方向性結合器と実効媒質クラッドの利点を組み合わせることで、これらの限界を克服します。異方性クラッドは大きな複屈折性を示し、広い帯域幅にわたって高いPERを保証します。この設計原理は従来の方法からの脱却を決定づけ、テラヘルツ統合のためのスケーラブルで実用的なソリューションを提供します。
マルチプレクサの実験的検証により、その優れた性能が確認されました。このデバイスは225～330GHzの帯域で効率的に動作し、20dB以上のPERを維持しながら37.8%の比帯域幅を実現します。コンパクトなサイズと標準的な製造プロセスとの互換性により、量産に適しています。
ガオ博士は、「この革新はテラヘルツ通信システムの効率を高めるだけでなく、より強力で信頼性の高い高速ワイヤレスネットワークへの道を開く」と述べた。
この技術の潜在的な応用範囲は通信システムだけにとどまりません。このマルチプレクサは、スペクトル利用率を向上させることで、レーダー、イメージング、IoT（モノのインターネット）などの分野の進歩を促進することができます。「10年以内に、これらのテラヘルツ技術が様々な産業に広く採用され、統合されることを期待しています」とウィタヤチュムナンクル教授は述べています。
このマルチプレクサは、チームが開発した従来のビームフォーミングデバイスとシームレスに統合できるため、統合プラットフォーム上で高度な通信機能を実現できます。この互換性は、実効媒体クラッド誘電体導波路プラットフォームの汎用性と拡張性の高さを際立たせています。
研究チームの研究成果はLaser & Photonic Reviews誌に掲載され、光子テラヘルツ技術の発展におけるその意義を強調しています。藤田教授は、「この革新は、重要な技術的障壁を克服することで、この分野への関心と研究活動を刺激することが期待されます」と述べています。
研究者たちは、彼らの研究が今後数年間で新たな応用やさらなる技術改善を促し、最終的には商用の試作品や製品につながることを期待している。
このマルチプレクサは、テラヘルツ通信の可能性を解き放つための大きな一歩を踏み出したと言えるでしょう。比類のない性能指標により、集積テラヘルツデバイスの新たな基準を確立しました。
高速かつ大容量の通信ネットワークに対する需要が高まり続ける中で、このようなイノベーションはワイヤレス技術の将来を形作る上で重要な役割を果たすことになります。
投稿日時: 2024年12月16日