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超音波振動で信号増幅をおこなう新しいメカニカル素子を実現 ~フォノニック結晶を用いて信号波形の圧縮に成功~

 日本電信電話株式会社(NTT)と国立大学法人東北大学は2018年4月6日,フォノニック結晶と呼ばれる,超音波振動の「流れ」を操ることができる音波の人工結晶を用いて,波形圧縮による信号の増幅動作を実証したことを発表した.この技術は,携帯電話などの移動体通信システムに用いられる高周波フィルタ等の信号処理デバイスに適用されるもので,これら機器の低消費電力,小型・集積化,更には高機能化に繋がることが期待されるという.本研究の一部は文部科学省新学術領域「ハイブリッド量子科学」ならびに東北大学「マルチディメンジョン物質理工学リーダー養成プログラム」の一環として行われ,成果はNTT物性科学基礎研究所山口浩司氏が統括著者の論文で英国科学誌Nature Communicationsに公開された(注).

 MEMS(マイクロ電気機械システム)による微小な構造を振動させると,超音波振動が引き起こされる.この現象を利用した表面弾性波フィルタや発振素子などのMEMS振動子が,高周波送受信信号の処理に応用されている.NTTの研究チームではこれまで,このMEMS振動子の作製技術をベースにしたフォノニック結晶と呼ばれる新しい「音の人工結晶」を作製し,それをプラットフォームに使用して超音波振動の伝搬を制御する技術の研究を進めてきた.フォノニック結晶を使うことで,既存のMEMSで困難であった超音波の伝搬速度とその波長依存性制御が可能となる.

 本研究で使用したフォノニック結晶は,幅22µm,長さ1mmのガリウム砒素(GaAs)の多層構造を太鼓の膜のように上下振動が可能なスペースを設けて基板上に固定して,小さな超音波の振動が伝わる導波路を構成している.この導波路の両端には電極が設けられ,電圧を印加することで圧電効果により超音波振動を発生させる.この薄膜導波路のセンターに沿って例えば8µm周期で孔が設けられており,この周期孔の間隔を調整することで,振動の分散(波の伝搬速度の周波数依存性,分散値が正の時には高い周波数の波は低い周波数の波より遅い,負の場合はその逆)特性の制御が可能になる.

 このフォノニック結晶導波路構造で群速度分散の周波数依存性を調べ,周波数3.5~7.5MHzに対して群速度分散は-8~+1ns2/mの値を示ことが実験と理論から確認された.また,導波路端から周波数変調を加えた振動を入力し,5.8MHzで周波数変調パラメータ(C)を-3から+9.7まで変化させた場合について,伝搬距離(0~12mm)の間での波形幅の変化を測定した.Cが負の場合,伝搬距離とともに波形幅の値は大きくなり,正の場合は一度小さくなりその後増大に転ずるデータが得られた.即ち,この分散による波形の拡大と圧縮に初めて成功した.本技術を用いる事で,振動波形の圧縮比や,圧縮の場所やタイミングを精確に制御できるようになり,MEMSを用いた信号処理デバイスの小型化や高集積化に繋がることが期待されるとしている.

 今回はフォノニック結晶の分散効果を利用して振動の波形圧縮を実現した.今後は素子の非線形効果を検討し,両効果をバランスさせて,ソリトン(波形が乱れない孤立波や波形が周期的に圧縮と拡大を繰り返す波)をはじめとする,より高度な波形制御の実証に取り組んでいく.更に,素子の微細化を進めていき,ギガヘルツ(GHz)の高周波数の超音波振動で動作するフォノニック結晶素子の作製も進めていくという.

(注)M. Kurosu, D. Hatanaka, K. Onomitsu and H. Yamaguchi, "On-chip temporal focusing of elastic waves in a phononic crystal waveguide", Nature Communications, Vol. 9, Article number: 1331 (2018), doi: 10.1038/s41467-018-03726-7; Published online: 06 April 2018