新型のテラヘルツ多重化装置により、データ容量が倍増し、これまでにない帯域幅と低データ損失で6G通信が大幅に強化された。
研究者らは、データ容量を倍増させ、6G以降の技術革新に革命をもたらす超広帯域テラヘルツ多重化装置を発表した。（画像提供：Getty Images）
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可能性を秘めている。
これらのシステムはテラヘルツ周波数帯で動作し、超高速データ伝送と通信のための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引き出すには、特に利用可能な周波数帯域の管理と効果的な活用において、重大な技術的課題を克服する必要があります。
この課題に対し、画期的な進歩がもたらされた。基板を用いないシリコンプラットフォーム上に、初の超広帯域集積型テラヘルツ偏光（デ）マルチプレクサが実現されたのである。
この革新的な設計は、サブテラヘルツ帯Jバンド（220～330GHz）を対象とし、6G以降の通信を変革することを目指しています。このデバイスは、データ損失率を低く抑えながらデータ容量を実質的に2倍にし、効率的で信頼性の高い高速無線ネットワークの実現を可能にします。
この画期的な成果を支えたチームには、アデレード大学電気機械工学部のウィサワット・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、そして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、「提案された偏波多重化器は、同一周波数帯域内で複数のデータストリームを同時に送信することを可能にし、データ容量を実質的に2倍にする」と述べた。このデバイスによって達成された相対帯域幅は、あらゆる周波数帯域において前例のないものであり、集積型多重化器にとって大きな飛躍となる。
偏波多重器は、複数の信号が同じ周波数帯域を共有できるようにすることで、チャネル容量を大幅に向上させるため、現代の通信において不可欠な存在である。
この新しいデバイスは、円錐状の方向性結合器と異方性有効媒質クラッドを利用す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）と広い帯域幅をもたらします。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高い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な異方性クラッドを採用している。このアプローチにより、円錐形カプラが提供する十分な帯域幅を最大限に活用できる。
その結果、帯域幅は40%近く、平均PERは20dBを超え、最小挿入損失は約1dBという性能が得られました。これらの性能指標は、帯域幅が狭く損失が大きいという問題を抱えることが多い既存の光およびマイクロ波設計の性能をはるかに凌駕しています。
研究チームの成果は、テラヘルツシステムの効率性を向上させるだけでなく、無線通信の新時代の幕開けにもつながる。ガオ博士は、「この技術革新は、テラヘルツ通信の可能性を解き放つための重要な推進力となる」と述べている。応用分野としては、高精細ビデオストリーミング、拡張現実、そして6Gのような次世代モバイルネットワークなどが挙げられる。
矩形金属導波管を用いた直交モード変換器（OMT）などの従来のテラヘルツ偏波管理ソリューションには、大きな制約がある。金属導波管は高周波になるにつれてオーム損失が増大し、また、厳しい幾何学的要件のため製造プロセスが複雑になる。
マッハ・ツェンダー干渉計やフォトニック結晶を用いたものを含む光偏光多重化器は、集積性が高く損失も少ないという利点があるが、帯域幅、小型化、製造の複雑さの間でトレードオフが生じることが多い。
方向性結合器は光システムにおいて広く用いられており、小型化と高い偏光効率（PER）を実現するためには強い偏光複屈折が必要となる。しかしながら、帯域幅が狭く、製造公差に敏感であるという制約がある。
この新しいマルチプレクサは、円錐型方向性結合器と有効媒質クラッドの利点を組み合わせることで、これらの制約を克服しています。異方性クラッドは顕著な複屈折性を示し、広い帯域幅にわたって高いPER（位相効率）を保証します。この設計原理は従来の手法からの脱却を意味し、テラヘルツ集積化のための拡張性と実用性を備えた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、その卓越した性能が確認されました。このデバイスは225～330GHzの周波数帯域で効率的に動作し、20dB以上のPERを維持しながら37.8%の帯域幅を実現しています。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、「この技術革新は、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無線ネットワークへの道を開くものです」と述べた。
この技術の潜在的な応用範囲は、通信システムにとどまりません。マルチプレクサはスペクトル利用効率を向上させることで、レーダー、画像処理、IoT（モノのインターネット）などの分野の進歩を促進する可能性があります。「10年以内に、これらのテラヘルツ技術は様々な産業で広く採用され、統合されると予想しています」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、チームが以前に開発したビームフォーミングデバイスともシームレスに統合でき、統一されたプラットフォーム上で高度な通信機能を実現します。この互換性は、効果的な中層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を際立たせています。
研究チームの成果は学術誌「Laser & Photonic Reviews」に掲載され、フォトニックテラヘルツ技術の発展におけるその重要性が強調されている。藤田教授は「この革新的な技術は、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る」と述べた。
研究者たちは、今回の研究成果が今後数年間で新たな応用や技術革新を促し、最終的には商業的な試作品や製品につながると期待している。
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上で、大きな前進となるものです。その比類なき性能指標により、集積型テラヘルツデバイスの新たな基準を打ち立てます。
高速・大容量通信ネットワークへの需要が高まり続ける中、こうした革新技術は無線技術の未来を形作る上で極めて重要な役割を果たすだろう。
投稿日時：2024年12月16日