次世代のセンシング技術や「6G」無線通信への利用などが期待されながら、送受信には大型で高価な装置を必要とした「テラヘルツ波」。キヤノンは、待ち望まれていた小型で高出力の半導体光源の開発に成功。社会の未来を変えるテラヘルツ波の普及に向けた大きなブレイクスルーとして注目されています。

2023/12/19

#最先端を切り拓く技術 #半導体

私たちは、ありとあらゆる「光」の仲間に取り囲まれて生活しています。目に見える可視光、目に見えない紫外線やX線、あるいは通信に使われる電波など、光の仲間はすべて波の性質をもち、ひとまとめにして「電磁波」と呼ばれています。電磁波は、波長（波の山と山、あるいは谷と谷の間隔）・周波数^※1によって大きな違いがあります。たとえば、可視光より波長が長い（＝低周波数の）「電波」と呼ばれる電磁波は建物などの障害物にあたっても回り込みやすく遠くまで届くため、テレビ放送や携帯電話をはじめとする通信に利用され、可視光よりも波長が短い（＝高周波数の）紫外線、X線、ガンマ線などの電磁波はエネルギーが大きい、直進性が高いといった性質を利用して医療機器などで広く使われています。

最近、「未踏の電磁波」として注目されているのが、電波と光の中間の波長・周波数をもつ「テラヘルツ波」です。周波数が1テラヘルツ（THz）付近^※2で、電波のように布や紙、木材やセラミック、プラスチックなどをすり抜ける透過性をもちながら、金属には反射され、水には吸収されるという性質をもっています。一方で、光のような直進性をもち、人やものに照射して透過・反射したテラヘルツ波をカメラでとらえれば画像にすることもできます。さらに、物質ごとに吸収されるテラヘルツ波の周波数が違うので、どういう材料が含まれるかを知ることもできます。このような性質を利用して、自動車塗装の膜厚測定や医薬品の品質検査などの非破壊検査分野で実用化が進むほか、衣服は透過しながらも人体には被ばくがないという特徴を生かして人流の多い場所でのセキュリティチェックなどでの活躍に期待が寄せられています。

テラヘルツ波は次世代無線通信の電波としても期待されています。現在、最新の規格5Gなど通信で使用される電波の範囲（＝帯域）は600MHz（メガヘルツ）から60GHz（ギガヘルツ）の「ミリ波」や「マイクロ波」。テラヘルツ波はさらに周波数が高い（＝一秒あたりの波が多い）ため、より大量のデータ量を高速に伝送できるポテンシャルがあり、300GHz前後のテラヘルツ波を使う「6G」が次世代規格として検討され始めています。

しかし、テラヘルツ波が「未踏の電磁波」といわれるには、大きな理由があります。テラヘルツ波の送信には、真空管や逓（てい）倍機^※を用いた大型の装置が必要で、価格も数千万円。気軽に使えるようにするために、装置の小型化、常温での利用に欠かせない半導体デバイスによる送信の開発が進められてきましたが、出力や指向性、放射の効率などのあらゆる点で技術的な課題が立ちはだかり、テラヘルツ波を使っての通信などは夢のまた夢という状況でした。

テラヘルツ波の送信にはテラヘルツ波を発生させる発振器と波を放射させるアンテナが必要です。これまでは、さらに逓倍機や、出力を増幅するアンプ、放射方向をコントロールするラッパのような形のホーンアンテナやレンズが必要で、小型化の高い壁になっていました。

そして、テラヘルツイメージングができるレベルに出力を高めるためには、理論上少なくとも6×6＝36個のアンテナを並べる必要があるため、キヤノンは36個ひとつひとつのアンテナのアレイ^※1配置と位相^※2同期に注力。2個や3個ならともかく36個のばらつきを抑えることは至難の業でしたが、キヤノンは、アンテナアレイ設計技術とCMOSセンサーの生産で培った半導体微細加工をはじめとするものづくり技術によって、1ピコ秒（1兆分の1秒）オーダーの精度での綿密な位相同期を実現しました。その結果として、レンズやホーンアンテナなしに放射角を13度に絞ることにも成功。10m離れていても鮮明な画像・映像が得られる半導体テラヘルツ光源を生み出しました。

同じ周期の波を同位相で同期できれば出力を上げられますが、同期できないと干渉しあって逆に出力は小さくなってしまいます。

また、一般的には、アンテナ数が多くなると起こる「寄生発振」による出力の低下についても、キヤノンは数々の半導体デバイス開発の経験から得た回路設計のノウハウによって、影響の大きい低周波の寄生発振を効率的にカットする独自の高周波フィルターを開発し、出力を最大化。電力効率の向上も達成しています。

これまでとは異次元のテラヘルツ光源を可能にしたキヤノンのテラヘルツデバイス技術。キヤノンでは、この技術によって大きな変貌が予想される、持ち込み禁止物の所持検査をするボディスキャナーや非破壊検査への応用など、透視イメージングの進化に貢献する提案をおこなっています。その一環として、レンズと半導体センサーでテラヘルツ波をとらえる「テラヘルツカメラ」を試作し、可視光に比べて分解能の劣るテラヘルツ波でも実用性の高い画像・映像が得られることを検証する実証実験を実施。歩行中の人が隠しもつ銃やナイフを検知するデモンストレーションを可能にしています。

小型で出力が高いテラヘルツ光源の出現により、今後社会で幅広く次世代のセンシングや無線通信などの研究開発が加速する効果も期待されます。キヤノンは、テラヘルツ波の可能性がさらに拡げられるように、今回の450GHz光源にとどまらず、さまざまな周波数帯での送受信技術の開発を続けていきます。