6G ・次世代通信研究
テラヘルツ技術
次世代ワイヤレス接続の実現する
テラヘルツ通信への競争が本格化してきている。将来の高速無線リンクは、100Gbit/sを超えるデータ転送速度、超低遅延、複数デバイス間のシームレスな接続を実現すると期待されている。
しかし、Wi-Fiから5Gに至る現在の無線システムが使用する周波数帯域は限界に近づいている。
これらの革新的な目標を達成するため、研究はテラヘルツ（THz）周波数帯域、すなわち約100GHzから1THzの領域へと移行している。この領域は毎秒テラビットの無線リンクに十分な膨大な帯域幅を提供する。これを活用するには最先端のTHz評価・計測技術が必要であり、まさにこの分野でトプティカのレーザーベースシステムが優位性を発揮している。過去数年間、この分野の研究は、テラヘルツ通信が次世代ネットワークに実装される可能性という魅力的な展望に推進されてきた。
テラヘルツ帯域が高速無線通信で重要な理由
ミリ波からテラヘルツ周波数へ移行するにつれ、新たな可能性が開かれます。
- 前例のない周波数帯域幅。100Gbit/sを超えるデータレートを実現する。
- Minia小型化された部品、, 例えばアンテナや導波管は、搬送波周波数の高くするにつれて小型化する。
- 高度なビーム形成および位置特定のための空間分解能の向上。
しかし、THz領域には課題も存在します。従来の電子信号発生器と検出器では、100GHzを超える周波数において、低位相ノイズと広帯域の可変性を維持することが困難です。そこで、高精度レーザー光源を駆動源とするフォトニクスベースのTHzシステムが、計測研究と通信研究の両方において飛躍的な進歩をもたらします。
レーザーからテラヘルツ波へ：フォトミキシングの原理
現代のテラヘルツ通信研究の中核をなすのは、光電子フォトミキシングです。わずかに異なる光波長を発生する2つの連続波レーザーを結合し、高速フォトダイオードの一種であるフォトミキサーを照射します。両レーザー間の光ビート干渉により、レーザー周波数差と正確に等しい周波数を持つコヒーレントでチューナブルなテラヘルツ信号が生成されます。
片方または両方のレーザーをチューニングすることで、テラヘルツ周波数を連続的にチューニング可能です。トプティカのTeraScan 1550やTeraScan ultraのようなシステムでは、チューニング範囲は4オクターブから6オクターブ（それぞれ50 GHz～1.2 THzまたは3 THz以上）をカバーします。
この方式は、複数の周波数帯域を探査するための広いチューニング範囲と、狭線幅および超低位相ノイズを併せ持ち、これらはコヒーレントリンクにとって重要な基準でなります。
コム同期光源による最も安定したテラヘルツ信号
TeraScan ultraでは、2台のテラヘルツ発生用レーザーが周波数コムに同期されています。これにより、システムは光発振器の超低位相ノイズ特性をテラヘルツ領域へ移行されます。
こちらにより以下提供します：
- 20 GHz から >5 THzの連続的周波数可変
- 周波数精度・分解能： 最小 1 Hz
- 周波数エクステンダーの交換のない、単一発信源-単一レシーバーコンセプト。
このような高精度な特性により、純粋な電子技術では達成できない周波数帯域において、高忠実度のチャネルサウンディング、スペクトラム解析、およびコンポーネント特性評価が可能となります。
ブロードバンド部品特性評価
ほとんどのテラヘルツ通信リンクは狭帯域の連続波（cw）テラヘルツ信号を使用している一方で、TOPTICAのTeraFlash proのようなパルス式テラヘルツシステムは、部品開発において重要な役割を果たしています。
広帯域テラヘルツパルスと時間領域検出を用いることで、ユーザーは5.5 THzを超える帯域幅において振幅と位相の両方の情報を取得でき、スペクトル分解能は300 MHzまで達します。これにより、テラヘルツ通信ハードウェアに使用される導波管、リフレクター、フィルタ、またはアブソーバーの解析に最適です。
実際には、パルス THz システムと連続波 THz システムは互いに補完し合います。つまり、パルス セットアップは広帯域の特性評価に適しており、CW システムは高分解能の通信とデバイスのテストに適しています。
結論 ― テラヘルツ通信の未来を測定可能に
テラヘルツ通信は、構想的な概念から実験的な現実へと変貌を遂げつつあります。トプティカのTeraScan 1550、TeraScan ultra、TeraFlash proといったレーザーベースのTHzシステムを用いることで、研究者は以下のことが可能になります。
- チューナブルで高安定なTHz信号の生成、測定、分析。
- 計測機器レベルの精度でのデバイスとチャネルの特性評価。
- 広帯域VNA（ベクトル・ネットワーク・アナライザ）とSA(（スペクトラムアナライザ）の周波数範囲を拡張し完全なテスト範囲を実現。
データ需要が飛躍的に増加するにつれ、THz テクノロジーが 6G 以降の基盤を定義することになります。