テラヘルツ波の検出感度を1万倍に向上させ、30ギガビット毎秒の無線通信に成功 大阪大とローム

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同期検波(今回の研究)と直接検波(従来方式)のテラヘルツ波検波特性の比較

大阪大学は2019年12月2日、ロームと共同で、テラヘルツ波の検出が可能な小型電子デバイスである共鳴トンネルダイオードのテラヘルツ波の検出感度を1万倍に向上させ、30ギガビット毎秒の世界最高速無線通信を実現したと発表した。

近年、5Gを超える超高速無線通信の実現を目指し、テラヘルツ波に関する研究が進んでいる。しかし、その発生・検出技術はまだ未熟であり、実用化に向けては検出感度の大幅な向上が必要となる。

大阪大学とロームは2011年にすでに、共鳴トンネルダイオードでのテラヘルツ無線通信に成功している。しかし、共鳴トンネルダイオード送信器からのテラヘルツ波の出力が不十分だったことから、その通信速度は9ギガビット毎秒に制限されていた。

そこで大阪大学とロームの共同研究グループは、検出器としての共鳴トンネルダイオードに着目した。通常、動作電圧を負性抵抗領域に設定した場合、共鳴トンネルダイオードは発振するが、検出器としての動作は不安定になる。一方、外部から到達し、共鳴トンネルダイオードで検出されるテラヘルツ波と発振周波数が十分に近い場合、共鳴トンネルダイオードの発振状態は外部からのテラヘルツ波と同期し、その発振出力が検出動作に援用されることが分かった。このようにして、共鳴トンネルダイオードを発振器として動作させ、検出対象のテラヘルツ波と同期させることで、テラヘルツ波の検出感度を1万倍に向上させることに成功した。

また、350ギガヘルツ動作の共鳴トンネルダイオード送信器からの出力をオンオフ変調方式にて無線伝送したところ、今回の研究の同期検波方式を利用した共鳴トンネルダイオード受信器にて復調することで高い信号強度が得られ、30ギガビット毎秒の通信に成功した。この通信速度は、電子デバイス送受信器を用いた誤り訂正なしのエラーフリー無線通信として、過去最高の値であり、非圧縮スーパーハイビジョン映像(8K Dual Green 方式)の伝送も可能だという。

今回の成果をさらに発展させることで、将来的には100ギガビット毎秒を超える超高速通信も可能になるという。また、通信のみならず、紙や衣服などの誘電体を透過し、特定の物質で吸収および反射されるテラヘルツ波の特性を生かした分光分析や非破壊検査、セキュリティ応用および、テラヘルツ波の特徴を生かした高分解能なレーダー応用なども期待できるという。

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