UCLAの研究者らは、業界標準の製造技術を用いてテラヘルツ波の生成と検出を単一の半導体チップに統合する実用的な方法を実証し、より高速なワイヤレス通信、ポータブルイメージング機器、コンパクトな化学センサーへの道を開き、テラヘルツシステムをかさばる実験装置から製造可能なチップへと移行させる可能性を示した。
テラヘルツ放射は、マイクロ波と赤外線の間の電磁スペクトル（およそ0.1～10テラヘルツ）を占める。研究者らは長年にわたり、広帯域通信、セキュリティスキャン、科学センシングにおけるその可能性を認識してきたが、テラヘルツ信号を確実に生成・検出するには特殊な装置と特殊な材料が必要であったため、実用的なシステムは実験室のベンチにほぼ限定されたままであった。
UCLAチームのアプローチは、Monolithically Integrated Terahertz Optoelectronics（MITO）プラットフォームと呼ばれ、ソース、検出器、増幅器、変調器を共有の半導体基板上に集積する。主要な構成要素は、ガリウムヒ素とアルミニウムガリウムヒ素（GaAs/AlGaAs）から作られた量子井戸PINフォトダイオードであり、すでに商業用フォトニック集積回路で広く使用されている材料である。
このデバイスは、わずかに異なる周波数の2つのレーザービームを量子井戸構造に導くことで機能する。重なり合うことで、2つのビーム間の周波数差に等しい電気的発振が生じる。その差がテラヘルツ範囲にある場合、テラヘルツ信号が生成される。同じ構造を逆に動作させることで、高感度で入射テラヘルツ波を検出することもできる。
プロトタイプテストでは、MITOプラットフォームは100～500ギガヘルツの範囲（テラヘルツ帯の低域）で周波数同調可能なテラヘルツ生成と検出を実証した。重要なのは、チームが同じチップ上に半導体光増幅器を集積し、必要な光パワーを低減しながら生成効率を約10倍に向上させたことである。
この分野における従来の仮定では、量子井戸に閉じ込められた電子はテラヘルツ周波数動作をサポートするには逃げる速度が遅すぎるとされていた。UCLAチームの測定により、電子は1兆分の1秒未満で逃げ出すことが示され、テラヘルツ領域には十分な速さであることが明らかになった。
「実証済みの業界標準製造プラットフォームを使用して、これらの機能の多くが単一のチップに統合可能であることを示すことにより、我々の研究は実世界のアプリケーション向けの実用的でスケーラブルなテラヘルツ技術への道を開くものです」と、UCLAの工学教授でプロジェクトの主任研究員であるモナ・ジャラヒ氏は述べている。
現在のプロトタイプは依然として外部レーザーに依存しているが、このプラットフォームは最終的にはオンチップの同調可能レーザーや追加のフォトニックコンポーネントを収容できるように設計されている。チームの次のステップには、より多くのコンポーネントの統合、性能の向上、テラヘルツソースと検出器の大規模アレイへの拡張が含まれる。
この研究はNature Communicationsに掲載された。
雅子 訳
Sources: A chip that creates and senses terahertz waves could shrink future networks (Interesting Engineering, July 2026); Nature Communications