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NTTと岡山大学【世界初】超音波の流れを自在に制御するギガヘルツ超音波回路技術を発表　無線通信用の高周波フィルタを小型･高性能化

2024年7月16日 By 神崎洋治

日本電信電話株式会社(NTT)と岡山大学は、世界で初めてトポロジーの原理を利用したギガヘルツ超音波回路を実現した。この技術により、半導体チップ上のミクロな空間においても、反射の影響を受けることなく、超音波の流れを自在に制御できるようになる。

NTTは発表に伴って報道関係者向け説明会を開催。説明を担当したNTT物性科学基礎研究所フロンティア機能物性研究部主任研究員畑中大樹氏（グループリーダは岡本創氏）

従来の技術では難しかった折れ曲がった小型導波路構造における反射の問題を解消し、スマートフォンや IoT デバイス等の無線通信端末に用いられている超音波フィルタの小型・高性能化に繋がることが期待できる。

上が、既に実用化されている既存の超音波フィルタ。既存の超音波フィルタでは1つのデバイスにつき単一のフィルタ機能のみを持つ。一方、下は今回発表の「トポロジカル超音波フィルタ回路の模式図。「トポロジカル超音波フィルタ回路」では、微細な回路構造を用いて多数のフィルタを微小基板上に集積できるため、1つのデバイスで複数の周波数フィルタ機能を実現することが可能になる。

この成果は、2024年7月16日から19日に富山県・富山市で開催される国際会議「14th International Conference of Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics」（META2024）にて招待講演の中で発表される。

超周波フィルタの利点と課題

デバイスに必要な周波数のみ取り組むフィルタリング

スマートフォンや携帯電話、IoT機器などに使われているモバイル通信、Wi-Fiなどの無線通信など、社会には周波数の異なる多くの電波がとびかっている。無数の電波が飛び交う中、それぞれの通信機器は機器内に超音波フィルタを搭載し、自身が使用する周波数帯の電波だけをやりとりするために、超音波フィルタでフィルタリングをおこなっている。

超周波フィルタの利点

特定の周波数を通すモノをバンドパス、特定の周波数をブロックするものをバンドストップと呼び、現状で1台のスマホあたり20～30個のフィルタ(多いもので100個程度)を搭載していると言われている。そして、今後もIoTの普及により、その数は爆発的に増加、ますます多彩な超音波フィルタが必要とされ、更に小型化が要求されるとみられている。

超音波は、同じ周波数の電波と比較して波長が非常に短く（短波長性）、さらにその振動が真っ直ぐに遠くまで伝わる（直進性）特性を持っている。そのため、電子部品から作るフィルタと比較して圧倒的に小さく、省電力の「高周波フィルタ」が実現できる。

従来の超周波フィルタの課題

一方で、より小さく小型の高周波フィルタを実現するためには、超音波の特徴であった直進性が、大きな妨げとなっていた。直進性が強く軌道の修正が難しいため、超音波を曲げようとすると後方への反射が起こり、微細な回路を伝搬する超音波を制御するが困難だった。

超音波の波「バレー擬スピン」を応用して後方への反射を抑止

今回、NTTと岡山大学は、新しい数学の理論であるトポロジーを活用した。ギガヘルツ超音波の後方への反射を抑え、伝搬を安定的に制御する「トポロジカル超音波微細回路」を実現。この回路を伝わる超音波は、周囲の周期孔の形状によってトポロジカル秩序（超音波の波のバレー擬スピン）が発生するが、その周期孔（下図のミッキーマウスのような形状）の角度によってバレー擬スピンを制御することで、反射のない安定した伝搬を示す性質を利用した。

(a).作製した素子の電子顕微鏡写真と模式図。(b).超音波導波路の模式図。異なる擬スピンの回転方向（すなわち異なるトポロジー）を持つ二つの領域に挟まれた境界（エッジ）においては、反射なく安定した超音波の伝搬が生じる。内部の孔が、それぞれ右回り（黄色）ならびに左回り（ピンク色）に5度だけ傾いている。この傾きによって方向を制御できる。

「バレー擬スピン依存伝導」は、超音波導波路をトポロジカル秩序によって保護された頑強で安定した進行波にする。そのため、急な曲がり角があっても、通常の超音波のような後方への反射は起こらず、エッジの形状に沿って滑らかに伝わる。

従来の超音波回路 (a) とトポロジカル超音波回路 (b) をギガヘルツ超音波が伝搬する様子（計算）。従来の回路は、周期孔の無い部分が導波路になっており、途中の120∘折れ曲がった角で超音波は強い反射を受ける。一方で、トポロジカル回路では、反射を受けることなく滑らかに出口まで伝わる。両回路の周期穴間隔と入力した超音波の周波数は同程度であり、それぞれ4マイクロメートルと0.5GHz。 (c).アルファベットの”Z”のような形状をしたトポロジカル回路を伝わる超音波伝搬の測定結果。黄色の破線はエッジ部を示している。

この特性を活用することで、従来の技術では難しかった折れ曲がった小型導波路構造における反射の問題を解消し、超音波デバイスの小型化や複合化が可能になる。そして、従来技術を使った場合よりも100分の1以下に省スペース化したリング・導波路結合構造を作製し、ギガヘルツ超音波フィルタの基本動作も実証した。

(a).トポロジカルリング・導波路複合系における導波路出力部での周波数応答。0.495 GHz付近で出力が大きく低下するフィルタリング効果が起きている（赤矢印）。(b).超音波フィルタの原理を示した模式図。反射なく超音波がリング内を周回することで、リングと導波路の波が干渉し、導波路を進む超音波が抑制されます。(c).周波数0.495 GHz での超音波の空間伝搬の計測結果。超音波のフィルタリングにより、導波路における超音波の出力が大きく低下している。

この研究開発は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業基盤研究（S）「極超音波トポロジカルフォノニクスの開拓と多機能弾性デバイスの開発」（研究課題番号：JP21H05020）と同・基盤研究（S）「超高速マグノフォノニック共振器デバイス」（研究課題番号： JP23H05463）による支援を受けた。

100分の1以下のサイズでトポロジカル超音波回路が可能に

今回の検証によってギガヘルツ超音波のフィルタリングに成功。実証した技術が実用化すると、従来の技術よりも100分の1以下のサイズでトポロジカル超音波回路を作成することができる。この成果は、無線通信端末で広く使用されている超音波フィルタの小型化や多機能化を可能とする技術として期待できる。

現状の超音波フィルタ(SAW:表面弾性波)からトポロジカル超音波回路へ　フィルタの小型化と回路の設計自由度向上により、多数のフィルタをチップ上に集積化可能になると期待される

技術のポイントまとめ

1.トポロジカル導波路構造に対する最適化設計手法の適用

岡山大学が有する音響トポロジカル構造の設計ノウハウを活用し、半導体薄膜に3回の回転対称性をもつ孔を規則正しく並べた二次元周期弾性体から成る超音波回路をNTT が作製した。
単位セル内の空孔は、微細加工技術によって再現しやすい円形の穴が4つ組み合わさった形状をしている。さらに、それを左回り、または右回りに回転させるだけで異なるトポロジーをもつ弾性構造を実現できる。岡山大学とNTTは、「有限要素法」と呼ばれる数値計算技術を用いて、様々な回転角度に対する超音波の分散関係を調査し、トポロジカル秩序と導波路の形成が両立する最適な回転角度「5∘」を算出した。この最適化手法を用いることにより、多数回の試行実験を繰り返すことなく、優れたトポロジカル回路を構築できるようになる。
「有限要素法」とは、物体を小さな部分に分けてその物理的挙動を解析する計算手法。複雑な形状の構造や複合的な作用が引き起こす現象を正確にシミュレーションできるツール。

2.バレー擬スピン依存伝搬伝導の利用

超音波が伝わる導波路は、トポロジーの異なる右回り(前図の黄色)･左回り(前図のピンク色)の領域に挟まれた接合部（エッジ）で形成されている。両側のトポロジカル構造は、逆向きに回転する超音波の渦（バレー擬スピン）を持っているため、エッジに侵入した超音波は、両側の渦によって押し出されるように伝わり、導波路の途中に曲がり角や欠陥があっても、反射して後方へ戻ることなく、非常に頑強で安定した伝搬を保つ。このように、超音波渦の回転方向、つまりバレー擬スピンの極性に依存して波の伝わる方向が決まる特性を「バレー擬スピン依存伝導」と呼ぶ。これは、本体の形状が大きく変化しない限り、導波路エッジの伝搬は保護されるという特異な性質（トポロジカル秩序）を持つ。

3.トポロジカルリングとエッジ導波路の融合

リングはループ状に閉じた導波路から成り、別の導波路から入射した波は、リング内での周回を通して、特定の周波数や波長の成分のみが強め合って出力される。このリング中の波と導波路の波が干渉し特定の周波数の波の伝搬が抑制されるため、この複合構造はフィルタとして利用できる。ギガヘルツ超音波の場合、湾曲した導波路の側壁から生じる反射を避けるため、従来は半径が100マイクロメートル以上の大きな（曲率の小さな）リング構造が必要だったが、トポロジカル構造を導入することにより、曲率の大きな構造でも反射の影響が抑えられ、半径10マイクロメートル程度の微小な超音波リングが実現できる。

今後の展開

今回の実験でギガヘルツ超音波を空間的に制御するための要素技術が確立された。NTTと岡山大学は、今後、磁性体を導入し、外部磁場で超音波を動的に制御できる技術の確立をめざす。ギガヘルツ超音波の空間的かつ高速な制御が可能になれば、フィルタだけでなく、周波数変換器や増幅器などの無線通信端末に必要な高周波アナログ演算処理を、超音波を用いて同一チップ上で処理することが可能となる。これにより、既存システムであった超音波フィルタと電子部品間の圧電変換や基板接続が不要となり、アンテナ部のさらなる小型化や省エネルギー化につながることが期待できる。

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神崎洋治

神崎洋治（こうざきようじ） TRISEC International,Inc.代表「Pepperの衝撃! パーソナルロボットが変える社会とビジネス」(日経BP社)や「人工知能がよ～くわかる本」(秀和システム)の著者。デジタルカメラ、ロボット、AI、インターネット、セキュリティなどに詳しいテクニカルライター兼コンサルタント。教員免許所有。PC周辺機器メーカーで商品企画、広告、販促、イベント等の責任者を担当。インターネット黎明期に独立してシリコンバレーに渡米。アスキー特派員として海外のベンチャー企業や新製品、各種イベントを取材。日経パソコンや日経ベストPC、月刊アスキー等で連載を執筆したほか、新聞等にも数多く寄稿。IT関連の著書多数(アマゾンの著者ページ)。