マイクロ波と赤外線の間には、研究者たちが数十年にわたって利用しようと試みてきた電磁波スペクトルの領域があります。この領域はテラヘルツ帯と呼ばれ、より高速なデータ伝送や新しい画像技術の実現が期待されていますが、実用的なシステムを構築することは非常に困難です。数十年の研究を経ても、テラヘルツシステムは主に実験室に限られており、これらの信号を生成、操作、検出するために必要な機器は通常、大きく、高価で、拡張が難しいのです。現在、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）の研究者たちは、これらの機能を単一の半導体チップに統合することで、この障害を克服する実行可能な方法を示しました。
UCLA研究チームが統合テラヘルツ技術の実現可能性を示す
カリフォルニア大学ロサンゼルス校の工学教授モナ・ジャラヒは、「業界標準の製造プラットフォームを使用して多くの機能を単一のチップに統合できることを示すことで、私たちの研究は実際の応用における実用的でスケーラブルなテラヘルツ技術への道を開きました。」と述べています。長年の仮定を再考し、統合テラヘルツシステムを構築しようとした以前の多くの研究は、標準のフォトニックチップ製造と組み合わせるのが難しい専用材料や製造方法に依存していました。UCLAが主導するチームは異なる戦略を選び、研究者たちは量子井戸に焦点を当てました。これらの極薄の半導体層は、フォトニック集積回路に広く応用されています。
長年、多くの研究者は量子井戸が効率的なテラヘルツ操作をサポートするのが難しいと考えていました。なぜなら、電子が構造内に長く閉じ込められる可能性があるからです。しかし、UCLAチームの測定結果は、電子が1兆分の1秒未満の時間で量子井戸から逃げ出すことを示しており、テラヘルツ周波数の操作をサポートするには十分な速さです。この発見は、量子井戸を統合テラヘルツデバイスの実行可能な基盤として確立するのに役立ちました。研究者たちは、ガリウム砒素とアルミニウムガリウム砒素（GaAs/AlGaAs）で作られた量子井戸PINフォトダイオードを使用して、これらの構造が増幅された光混合プロセスを通じてテラヘルツ信号を生成および検出できることを示しました。
このシステムの原理は比較的シンプルです。周波数がわずかに異なる2つのレーザー光が量子井戸デバイスに導入され、光波が重なり合うと、2つのレーザーの周波数差に等しい電気的振動が生成されます。この周波数がテラヘルツ範囲に入ると、デバイスはテラヘルツ信号を生成します。同じ構造は、入ってくるテラヘルツ波を高感度で検出するために逆に機能することもできます。研究の著者は、「GaAs/AlGaAs QW PIC基板で作成されたプロトタイプでは、100–500 GHzの範囲で可変周波数のテラヘルツ生成と検出を示し、より高いテラヘルツ生成効率と改善されたテラヘルツ検出感度を実現しました。」と指摘しています。
統合テラヘルツシステムの未来の潜在能力と課題
研究者たちは、同じチップ上に半導体光増幅器を統合することで性能をさらに向上させました。これにより、テラヘルツ生成効率が約1桁向上し、操作に必要な光パワーが減少しました。この作業は、チームが「単体統合テラヘルツ光電子（MITO）」プラットフォームと呼ぶものの基盤を築きました。このプラットフォームは、ソース、検出器、増幅器、変調器、その他のフォトニックデバイスを共有半導体基板上でサポートし、商業フォトニックファクトリーと互換性のある製造方法を使用することを目的としています。さらに重要なのは、このプロトタイプが外部レーザーに依存しているにもかかわらず、将来の統合を考慮した設計であることです。
研究者たちは、最終的には可変レーザーやその他のフォトニックデバイスをチップ上に直接統合し、より完全なテラヘルツシステムを創造し、コンパクトな形式で提供することを想定しています。このプラットフォームがスケーラブルであることが証明されれば、未来の無線通信技術に対して集積回路と同様の影響を与え、大型の実験室コンポーネントを置き換え、製造可能な小型チップを実現する可能性があります。このようなシステムは、現在のネットワークを超えた未来の無線通信技術をサポートし、同時にポータブルイメージングデバイス、化学センサーシステム、産業検査ツール、先進的な遠隔センシングプラットフォームの発展を促進することができます。
この作業は、確立されたフォトニック製造プロセスと互換性のあるプラットフォーム上で高効率の信号生成と高感度の検出を組み合わせているため、従来のテラヘルツ統合の試みとは異なります。この互換性により、専用の製造技術を必要とする方法よりも大規模生産が現実的になります。しかし、この技術はまだプロトタイプ段階にあり、完全に統合されたテラヘルツ通信またはイメージングシステムの商業化には、まだ多くのエンジニアリング作業が必要です。次のステップには、チップ上のコンポーネントをさらに統合し、性能を向上させ、プラットフォームをより大規模なテラヘルツソースと検出器アレイに拡張することが含まれます。
この研究は『Nature Communications』誌に発表されました。