フォトミキサアレーを用いた空間合成によるテラヘルツ波高出力化

招待論文

フォトミキサアレーを用いた空間合成によるテラヘルツ波高出力化

坂野

豪紀

†

周

洋

†

金谷

晴一

†

加藤

和利

†a)

Power Combining of Terahertz Wave Using Arrayed Photomixers

Goki SAKANO

†

, Yang ZHOU

†

, Haruichi KANAYA

†

, and Kazutoshi KATO

†a)

あらまし フォトミキシング技術によるテラヘルツ波生成において，フォトミキサのアレー化と光の位相調整 によりテラヘルツ波の空間合波を行い，周波数300GHz での出力及び指向性利得の向上を実現した．更に光の 位相調整技術を積極的に利用し，合波されるテラヘルツ波の波面を傾けることによりビームステアリングを実現 した． キーワード テラヘルツ，フォトミキシング，アレーアンテナ，ビームステアリング

1.

ま え が き

近年の爆発的なデータトラヒック量の増加[1], [2]に 対応するため，コヒーレントテラヘルツ波を用いた テラヘルツ波通信が着目されている．テラヘルツ波 は周波数が0.1THzから10THzと定義される電磁波 で，従来の無線通信で用いられるマイクロ波より圧倒 的に高い周波数をもつ電磁波である．テラヘルツ波 の中でも，3 THz以下の周波数領域は電波法によっ て電波と定められ[3]，電波としての産業利用が可能 であり，将来の大容量無線通信の媒体として期待さ れる[4]∼[12]．我々はコヒーレントなテラヘルツ波の 生成手段として，単一走行キャリアフォトダイオード (UTC-PD) [13], [14]のような高周波フォトミキサへ 周波数の異なる二つの光波を入力し，これらの差周波 の交流信号を得るフォトミキシング技術[6], [15]∼[17] に着目している．フォトミキサとして用いるUTC-PD は入射平均強度が一定の値を超えると出力が飽和す る特性をもっており，例えば300GHzにおいては出 力は約100μWにとどまる[7]．100m程度の中距離無 線通信においてはテラヘルツ波の出力は800μWから 1mWほど必要であると見積もられるため，UTC-PD 単体では出力が不足するという課題が生じる．そこで 我々はフォトミキサであるUTC-PDとそれに接続さ †_{九州大学大学院システム情報科学研究院，福岡市}

Kyushu University, 744 Motooka, Nishi-ku, Fukuoka-shi, 819–0395 Japan a) E-mail: [email protected] れるアンテナをアレー化し，テラヘルツ波を空間で合 波することにより高出力化する検討を行った． 本論文では構築したテラヘルツ波の空間合波系を用 い，合波されたテラヘルツ波強度を測定し，テラヘル ツ波の空間合波効果について検証する．更に本構成で は，光段階で，出力されるテラヘルツ波の位相調整が できるため，合波されるテラヘルツ波の波面をアンテ ナ正面方向から傾けることによるビームステアリング 可能性についても実験で検証する．

2.

アレーアンテナ

今回テラヘルツ波空間合波のために試作したアレー アンテナは，直線状に複数のアンテナを配列したリニ アアレーアンテナ，及び2次元状にアンテナを配列し た平面アレーアンテナの2種類である． 2. 1 アレー配置 図1に示すような複数のアンテナを等間隔に一次元 配列したリニアアレーアンテナにおいては，遠方の角 度ϕ = 0（つまりx − z面内）かつθ = θ0 の方向が 最大放射方向になるように，各素子を励振する場合， n番目の素子の励振位相Φnは， Φn= −k0nd sin θ0 (1) となる．ここで k0 は自由空間における波数であり， 波長をλとするとk0= 2π/λの関係がある．アレー 配列による電界の指向性であるアレーファクタF (θ) は以下のように表される[18]．

図 1 等間隔配置されたリニアアレーアンテナ [18] F (θ) = F (u) = N −1_ n=0 ejnu= N sin  N u 2  sin  u 2  (2) ここで， u = k0d(sin θ − sin θ0) (3) である．一般的な例としてθ0= 0の場合を考えると， F (u)は sin θ = mλ d (m = 0, ±1, ±2, . . .) (4) が満たされるときに最大値N となる．ちなみに実験 で実測されるのは電力であり，電力指向性は N2 と なる．図2にN = 9の場合のF (u)の実数成分を素 子数N で正規化した値を示す．F (u)/N の最大値は m = 0, ±1, ±2, . . .において最大値1となる周期関数 となる，最大値の間にある山はサイドローブと呼ばれ る．d = λ/2のときは，指向性の最大値は一つだけだ が，d ≥ λ のとき指向性の最大値が二つ以上生じる． θ = 0に現れる大きなピークはメインローブ(主ビー ム)であるが，それ以外の大きいピークをグレーティ ングローブといい，グレーティングローブの存在によ り，メインローブの利得が低下する．そのため，メイ ンローブが一つとなるように，アンテナ間隔を波長よ りも小さくする，つまりd < λと設計するのが好ま しい． アレーアンテナを用い，更に各素子からの電波の位 相を調整することで，ビームステアリングの実現も可 能になる．ビームを傾ける角度θ0 (ビーム走査角)は アンテナの配置間隔dと波長λの関係によって異なっ てくる．そこでリニアアレーアンテナにおいてビーム ステアリングを行う場合の素子間隔dを求めてみる． θ0≥ 0で考えると，式(3)より， |u|max =2π λ d(1 + sinθ0) (5) 図 2 一様励振振幅リニアアレーアンテナのアレーファク タ (N = 9) ( [18] を元に作成) 図 3 4角配列アレーアンテナ [18] よって，グレーティングローブが現れない条件は， |u|max< 2π であるので， 2π λ d(1 + sinθ0) < 2π d λ< 1 1 + sinθ0 (6) この式(6)を満たすように素子間隔dを設定する必 要がある．本研究では，300GHz (λ = 1mm)のテラ ヘルツ波の放射を想定し，アレーアンテナの素子間隔 dを走査角θ0 が最も広い90◦となるd/λ = 0.5つま り500μmとしてアレーアンテナを設計した． 一方，平面アレーアンテナは図3に示すようなアン テナ素子を二次元上に配列したアレーアンテナのこと である．x軸方向にn番目，y軸方向にm番目の素 子の複素励振係数がx軸，y軸方向に対して各々An， Am であるとき，アレーファクタは F (θ, φ) = n Anexp[jnu]  m Amexp[jmv] (7) と表される[18]．ただし，u = k0dxsin θ cos φ，v = k0dysin θ sin φである．つまり，x軸，y軸それぞれ

の方向の指向性の積として，4角配列平面アレーアン テナの指向性が表される． 2. 2 指向性利得 アレーアンテナからのテラヘルツ波を空間で合波す る際，放射されるテラヘルツ波のエネルギーの集中が 起こり，ビーム形状は鋭くなり，指向性利得が生じる． 図1のようなN 素子リニアアレーアンテナの指向性 利得Gdは，アレーアンテナの各素子どうしの励振位 相が一致し，アンテナの配列間隔d = λ/2，θ0 = 0◦ の場合を仮定すると，次式のようになる． Gd= 2L λ (8) ただし，λは波長，Lはリニアアレーアンテナの配列 長である．配列間隔d = λ/2のときN 素子リニアア レーアンテナの配列長Lは L = Nλ 2 (9) となるので，半波長間隔で配列されたN 素子リニア アレーアンテナの指向性利得Gdは Gd= N (10) となる．本実験ではUTC-PD/アンテナの配列間隔を 500μm (= 300GHzの波長である1 mmの半分の長 さ)としているので，指向性利得は式(10)で表される とおりアレー数に一致する． N 素子から成るアレーにおいて，合波されたテラ ヘルツ波強度は単素子動作させた場合に比べN 倍に なるが，更に指向性利得の分だけ上昇する．上記のこ とから半波長で配列されたN 素子リニアアレーアン テナの指向性利得はアンテナ正面方向に対しN 倍に なるので，合波強度のピーク値は単素子動作時に比べ (N 素子動作によるパワー増加) × (指向性利得N )倍， すなわちN2 _{倍となる．}

3.

アレーアンテナを用いたテラヘルツ波

の空間合波実験

本節では試作したアレーアンテナを用いたテラヘル ツ波の空間合波実験を行う．まず，テラヘルツ波空間 合波の動作確認のため，1次元アレーボウタイアンテ ナを用いてテラヘルツ波の空間合波実験を行い，指向 性特性を測定する．その後2次元にアレーを拡張した アレーアンテナでの実験を行い，2次元化の効果を確 認する．更にフォトミキシング前の光信号段階での位 相調整を行い，アレーアンテナによる1次元ビームス テアリングを実証する． 図 4 1次元アレーボウタイアンテナを用いた角度分布測 定系 図 5 1次元アレーボウタイアンテナ 3. 1 リニアアレーアンテナを用いたテラヘルツ波 空間合波実験 テラヘルツ波を空間合波するにあたり，まず構成の 簡単な1次元アレーを用いてテラヘルツ波の空間合波 を行い，角度分布測定を行った．図4は1次元アレー ボウタイアンテナを用いた角度分布測定系である．ボ ウタイアンテナは図5に示すように，UTC-PD (3dB 帯域300 GHz，ファイバとの光結合効率を含めた感 度0.15 A/W)を中心として，UTC-PDのp電極，n 電極それぞれから底辺140 μm，高さ115μmの二等 辺三角形状のパターン対で構成されている．ボウタイ アンテナの指向性は三角形の高さ方向に伸びた半波 長ダイポールアンテナと類似し，アレーに沿った方向 に対して等方的である．本測定系では，まず周波数の 異なる波長1.55μm帯のレーザ(LD : Laser Diode) 光を光合波器で合波し，光変調器(EOM : Electro-Optic Modulator)を用いて1MHzの強度変調を行 う．その後光増幅器(EDFA : Erbium Doped optical Fiber Amplifier)で増幅し，これを光スプリッタで四 つの光路に分配する．4光路の光は光ディレイライン

レー(MLA : Micro Lens Array)を介してUTC-PD アレーに入射され，フォトミキシングによりテラヘル ツ波電流が生成され，各アンテナへ給電され空間へテ ラヘルツ波が放射される．このとき4光路の光位相を 光ディレイラインで調整し垂直方向(θ = 0)で最大強 度となるようにしている．合波後のテラヘルツ波は， 約5cmの距離を経てホーンアンテナ(開口経約5mm) で受信され，ショットキーバリアダイオード(SBD : Schottky Barrier Diode)で電圧値に変換され，スペ クトラムアナライザーで検出される．本測定では図中 LD1及びLD2として波長可変レーザを使用し，片方 のレーザ光の波長を変化させることでフォトミキシン グ時における光周波数差を変化させてテラヘルツキャ リア周波数を決定している．今回の実験では光周波数 差を300GHzとした． 本実験では，動作させるUTC-PDの数を変化させ， 動作素子数に応じたテラヘルツ波強度を測定した．図6 に測定結果を示す．横軸には動作素子数，縦軸には単 体動作時の強度を1として規格化したテラヘルツ波の 強度を示している．なお，スペクトラムアナライザー のベースノイズは図6における規格化強度の0.1相当 であり，これによる強度の測定誤差をエラーバーとし て示している．破線は，前述したようにN素子アレー を動作させた場合の合波強度が単チャンネル動作時の N2 _{倍になることから，これを理論値として表したも} のであり，•のプロットは実際に得られた測定値であ る．図6から測定結果がほぼ理論値と一致し2乗に比 例して上昇していることがわかり，測定結果の妥当性 を示すものといえる．なお，各UTC-PDで吸収され た光強度は約0.5 mWであり，図6の4素子動作時 図 6 素子数と測定強度の関係 のテラヘルツ波の強度の絶対値は約3 μWであった． 3. 2 2次元アレーアンテナを用いたテラヘルツ波 空間合波実験 前節ではリニアアレーアンテナの素子数を変化させ， 合波されたテラヘルツ波強度が最大となる位置(垂直 方向)での強度を測定した．本節では更にアレーアンテ ナをy軸方向に増やした2次元アレーに拡張し，1次 元アレーに比べ更に利得が得られるか検証する．図7 に2次元アレーアンテナを用いたテラヘルツ波強度測 定系を示す．図5と基本的には同じ系であるが，アン テナ部分をリニアアレーアンテナから2次元アレーア ンテナに変更し，また放物面ミラーで集光を行った． アレーアンテナは放物面ミラーの焦点距離である10 cmの位置に配置した．なお放物面ミラーの開口角は 28◦である．2次元アレーアンテナは図8に示すよう に四つの4 × 1アレースロットアンテナから構成され ている(アンテナピッチはx，y方向ともに500μm)． それぞれの4 × 1アレースロットアンテナには一つの UTC-PDに対して四つのスロットアンテナ(単体ス ロットアンテナの大きさは430μm × 350μm)が並列 接続され，左端のUTC-PDに光が入射されると等長 図 7 2次元アレースロットアンテナを用いたテラヘルツ 波空間合波系 図 8 4× 4 アレースロットアンテナ [19], [20]

図 9 4× 1 アレースロットアンテナの放射パターンのシ ミュレーション結果 図 10 4× 4 アレースロットアンテナの放射パターンのシ ミュレーション結果 化された四つのコプレーナ線路に接続されたそれぞれ のスロットアンテナから同相でテラヘルツ波が放射さ れる構造となっている．図9には4 × 1アレースロッ トアンテナの放射パターンのシミュレーション結果を 示している．4 × 1アレーに沿った x-z 平面ではア レー配列による強い指向性が見られている．一方，ア レーと直交方向のy-z平面では上方に向けて緩やかな 指向性をもっており，z 方向に対して−15◦から20◦ の範囲では強度はほぼ一定となっている．更に図10 には4 × 4アレースロットアンテナの放射パターンの シミュレーション結果を示している．4 × 1アレーを 更にy方向にアレー化することにより，x-z平面と同 様の指向性がy-z平面にも現れている．なお後の議論 のため図中の網掛領域は集光に用いた放物面ミラーの 開口角を表している． 図11に動作させたアレー数と測定されたテラヘル ツ波強度の関係を示す．ここでテラヘルツ波強度は 4 × 1アレーのときの強度を1として規格化している． 図 11 アレー数と測定強度の関係 前節の結果から4 × 1アレーでは既にx方向のアレー 配列による指向性利得が得られていると考えられるの で，図11の結果は更にy方向のアレー配列による指 向性利得が得られたことを示している．ここで測定値 は破線で表した(アレー数)2 の曲線よりも小さくなっ ている．これは放物面ミラーの開口角28◦内のテラヘ ルツ波を全て検出しているため，アレー数が増えて指 向性が高まり放射パターンが絞られてくると，開口角 内で強度が平均化され見かけの指向性が下がることに よるものである． 今回の測定では放物面ミラーを用いたため(アレー 数)2 _{よりも強度は小さく観測されたが，実際の最大強} 度は，2軸それぞれの方向でのリニアアレーアンテナ の指向性利得の積であるN2 に動作させるUTC-PD を増やしたことによるパワー増加分の積となると考え られる．したがって，4 × 4アレーでは1 × 1アンテ ナ単体動作時に比べ (x軸方向の指向性利得4倍) × (y軸方向の指向性利得4倍) ×  動作させるUTC − PD を増やしたことによるパワーの向上4倍  = 64倍 (11) のピーク強度となっていると予想される． 3. 3 ビームステアリング実験 本節ではアレーアンテナの各アンテナから放射され るテラヘルツ波の位相を調整することで，高い指向性 をもつテラヘルツ波の1次元ビームステアリングが可 能であることを示す． 図12にテラヘルツ波強度角度分布測定系を示す．

図 12 2次元アレーアンテナを用いたテラヘルツ波角度 分布測定系 図 13 −15◦_，5◦_，20◦_{の角度で強度最大となるように位} 相調整後のテラヘルツ波角度分布 この実験では放射テラヘルツ波のビームプロファイル を測定するため，図に示すようにSBDをアレーアン テナから4 cm離れた位置に配置し，アレーアンテナ を中心として距離4 cm離れた円周上で回転させ，パ ワーの角度特性を測定した．各測定においてはSBD をある角度に固定して，測定されるテラヘルツ波の合 成パワーが最大となるようにODLを調整後，SBDを 回転させパワーの角度特性を測定した． 図13はSBDをそれぞれ−15◦，5◦，20◦の角度に 置きテラヘルツ波の合波強度が最大となるように位相 を調整した場合のビームプロファイルである．横軸は SBDでの検出位置(角度)，縦軸はSBDで検出され たテラヘルツ波の合波強度である．各アレー素子の位 相の調整によりテラヘルツ波強度角度分布のピーク位 置が変化し，アレーアンテナから放射されるテラヘル ツ波強度は5%以内の変化を保ったまま，35◦の範囲 でのステアリングが観測できた．ここでビームステア リング角の妥当性について考える．本実験では一つの UTC-PDに対して四つのスロットアンテナが分岐接 続されているため，4 × 1アレーアンテナを1素子と してみなし，このビームステアリングが可能な角度の 範囲は4 × 1アレースロットアンテナ放射パターンの ビーム幅に依存すると考えられる．図9に示した4 × 1 アレースロットアンテナの放射パターンのシミュレー ション結果が示すように，−15◦から20◦の範囲で強 度が保たれていることから，この範囲で強度を保った ままステアリングが可能になったと考えている．なお 本実験では −15◦ から20◦ の範囲外でも測定を行っ たが，この範囲から離れるに従い強度は減少した．

4.

む す び

本論文では1次元アレーボウタイアンテナ及び2次 元アレースロットアンテナの指向性を測定し，単体の UTC-PD/アンテナとの比較からアレーの効果を評価 した．2次元状にアンテナ数を増やすことで，動作さ せるUTC-PDを増やしたことによるパワーの向上だ けでなく，x軸，y軸それぞれの方向のリニアアレー アンテナの指向性利得の積としての利得が得られてい ることがわかった．更にこの利得によりテラヘルツ波 のビームステアリング実験を行い，35◦ の範囲でステ アリングを実現した．以上のことから，光段階での位 相調整を行いテラヘルツ波を空間合波する本構成の有 用性が示された． 謝辞 本研究の一部は2015年度総務省戦略的情報通 信研究開発事業(SCOPE)，JST産学共創基礎基盤研 究及びJST/CREST (グラント番号JPMJCR1431) によるものである．実験にあたりNTT先端技術総合 研究所から多大な支援をいただいた． 文 献 [1] 総務省，“我が国のインターネットにおけるトラヒック の集計・試算，” http://www.soumu.go.jp/menu news/ s-news/02kiban04 04000213.html, 2018年 2 月 20 日 閲覧．

[2] Cisco, “Cisco Visual Networking Index：全世界のモバ イルデータトラフィックの予測，2016∼2021 年アップデー トホワイトペーパー，” https://www.cisco.com/c/ja jp/ solutions/collateral/service-provider/visual-network ing-index-vni/mobile-white-paper-c11-520862.html [3] 総務省電波利用ホームページ，“周波数帯ごとの主な用途 と電波の特徴，” http://www.tele.soumu.go.jp/j/adm/ freq/search/myuse/summary/index.htm [4] 菅野敦史，“ミリ波・テラヘルツ帯高速無線通信伝送技術

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