富士通,携帯機器向けテラヘルツ受信機を開発


富士通と富士通研究所は,毎秒数十ギガビットの高速無線通信を実現する,テラヘルツ帯である300GHz帯小型受信機を世界で初めて開発した(ニュースリリース)。


テラヘルツ帯高感度受信機の内部構造(内蔵アンテナと受信増幅チップの接続部)

テラヘルツ帯高感度受信機とその断面構造(受信増幅チップ実装部の断面)

携帯端末で4Kや8Kといった高精細映像などの大容量データ通信を瞬時にダウンロードするためには,周波数100GHz以上のテラヘルツ帯を利用する無線通信機の実現が期待されている。テラヘルツ帯は,既存の携帯端末の無線通信に比べて100倍以上の広い周波数範囲を利用でき,通信速度も100倍に高めることが可能とされている。

一方,テラヘルツ帯の電波は空間に伝搬していくと強度が著しく減衰するため,微弱な電波を受信してデータ通信するためには感度の高い受信機が必要となる。

近年,テラヘルツ帯に対応する高感度受信増幅チップが各社で開発されているが,受信機にすると受信増幅チップを実装したモジュールと外部アンテナの個別構成となるためサイズが大きく,携帯端末への組込みは困難だった。

従来のテラヘルツ帯高感度受信機は,受信増幅モジュールとアンテナを個別に製作し,それらを導波管で接続するため,サイズが大きくなっていた。小型化の実現には,受信増幅モジュールにアンテナを内蔵し,導波管をなくすことが有効となる。

アンテナ内蔵モジュールにすることで,導波管が不要となり,内部のプリント基板を介して受信増幅チップとアンテナを接続する構成となる。高周波向けプリント基板としてはセラミック,石英,テフロンが一般的だが,テラヘルツ帯に適用すると信号減衰が大きく受信感度が悪くなることが課題となっていた。

今回,富士通らはテラヘルツ帯のアンテナと,開発済みの受信増幅チップを低損失で接続する技術を開発し,容積0.75立方センチメートル(cm3)(出力端子部含まず)と,携帯端末への搭載が可能な大きさのアンテナ内蔵300GHz帯の受信機を世界で初めて開発した。

開発した技術の特長は以下のとおり。
1.プリント基板として微細加工が可能な低損失ポリイミドを採用
微細加工が可能なポリイミドをプリント基板として採用した。アンテナで受信した信号は接続配線を経由して受信増幅チップに伝達される。テラヘルツ信号が接続配線を低損失で安定して伝搬するため,プリント基板の表面と裏面には電圧の基準面(グラウンド)が形成され,表裏のグラウンドを貫通ビアと呼ばれる電気配線で接続する。

この際,貫通ビアは信号の波長の10分の1以下,今回の場合,数十ミクロン以下の間隔で配置しないと電波をうまく扱えないという制約がある。ポリイミドは石英より10%ほど損失が大きい材料だが,4倍以上高い加工精度があるため数十ミクロン以下の間隔で貫通ビアを形成でき,石英基板上の接続配線と比べて損失を半減できる。

2.テラヘルツ帯向け受信増幅チップ実装技術を確立
受信信号をプリント基板上の接続配線から受信増幅チップに低損失で伝搬させるため,受信増幅チップの回路形成面をプリント基板に対向させて接続する実装技術を開発した。この実装技術はミリ波帯衝突防止レーダー用チップの実装で使用されているが,前述したポリイミド基板の低損失伝送技術を利用することで,適用可能な周波数をテラヘルツ帯まで拡張することに初めて成功した。

今回開発した技術を用いることで,スマートフォンなどの携帯端末で毎秒数十ギガビットの大容量通信ができることから,小型の端末を用いて4Kや8Kと呼ばれる高精細映像の瞬時伝送が可能となり,毎秒数十ギガビット級のKIOSK端末型のダウンローダなどが実現できる。また,携帯端末間の瞬時データ交換や携帯端末とサーバ間の瞬時バックアップといった応用へも展開できる。

富士通らは,2015年度中に今回開発した小型受信機を使った毎秒数十ギガビットの高速データ転送実験を開始し,2020年頃の実用化を目指すとしている。

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