新しい超広帯域997GHz電気光学変調器

新しい超広帯域997GHz電気光学変調器

新しい超広帯域電気光学変調器が997GHzの帯域幅記録を樹立した。

最近、スイスのチューリッヒの研究チームが、10MHzから1.14THzの周波数範囲で動作する超広帯域電気光学変調器の開発に成功しました。この変調器は、997GHzにおいて3dB帯域幅の記録を樹立しました。これは既存の記録の2倍に相当します。この画期的な進歩は、プラズマ変調器の最適化された設計によるもので、将来のテラヘルツ光子集積回路（PIC）に全く新しい可能性を切り開きます。

現在、無線通信は主にマイクロ波やミリ波に依存していますが、これらの周波数帯のスペクトル資源は飽和傾向にあります。光通信は広い帯域幅を有していますが、自由空間での無線伝送に直接使用することができません。そのため、THz通信は無線ネットワークと光ファイバーネットワークを接続する「ゴールデンブリッジ」とみなされており、6G以上の高速通信システムに理想的なソリューションを提供します。問題は、既存の電気光学変調器（例えば、THz変調器）の性能が、LiNbO₃変調器THz周波数帯における従来の半導体（InGaAs、シリコンベース材料など）の性能は、到底十分とは言えません。信号減衰は明らかです。動作帯域幅は約14GHz、最大搬送周波数はわずか100GHzであり、THz通信に必要な基準を満たすには程遠い状況です。本稿では、研究者らが新しいプラズマベースの変調器を開発し、3dB帯域幅を997GHzまで拡大することに成功しました。これは図1に示すように、現在の記録の2倍に相当します。この画期的な進歩は、従来の技術の限界を打ち破るだけでなく、THz通信の将来の発展への道筋を広げるものです。

図1 THz帯域のプラズマ電気光学変調器

この新しいタイプの変調器の核となるブレークスルーは、「プラズマ効果」と呼ばれるハイテク技術にあります。金属ナノ構造の表面に光が当たると、物質内の電子と共鳴し、光によって駆動された電子が集合的に振動し、特殊な波を形成します。まさにこの揺らぎこそが、変調器極めて高い効率で光信号を操作することができます。実験結果では、この変調器はDC（直流）から1.14THzの範囲で良好な変調特性を示し、500GHzから800GHzの周波数帯域で安定した利得を有することが示されました。

変調器の動作メカニズムを深く研究するため、研究チームは詳細な等価回路モデルを構築し、シミュレーションによって様々な構造パラメータが変調器の性能に与える影響を分析しました。実験結果は理論モデルとよく一致しており、変調器の効率と安定性をさらに検証しました。さらに、研究者らは改善計画も提案しています。最適化された設計により、この変調器の動作周波数は将来的に1THzを超え、さらには2THzを超えることが期待されます。

この研究はプラズマの大きな可能性を示している電気光学変調器テラヘルツ通信と光集積回路（PIC）の分野で、プラズマ電気光学変調器は、超広帯域、高効率、高集積化といった特性を備え、テラヘルツ信号変調に全く新しいソリューションを提供します。今後、デバイス設計と製造プロセスのさらなる最適化により、プラズマ変調器の動作周波数は2 THzを超え、より高いデータレートとより広いスペクトルカバレッジを実現することが期待されています。テラヘルツ時代の到来は、データ伝送の高速化とセンシング能力の高精度化を意味するだけでなく、無線通信、光コンピューティング、インテリジェント検出など、複数の分野の深い統合を促進するでしょう。プラズマ電気光学変調器のブレークスルーは、テラヘルツ技術の発展をリードする重要なステップとなり、将来の情報化社会の高速相互接続の基盤を提供する可能性があります。