テラヘルツ技術導入の障壁

研究者はテラヘルツ技術の導入の障壁を乗り越えようとしている

テラヘルツ技術に基づくイメージング機能は、医療、産業、セキュリティアプリケーション向けのセンサーなど、幅広い用途に使用されています。テラヘルツ周波数帯は、より高速な無線通信システムの構築にも活用でき、電子機器間の情報伝送をさらに高速化するとともに、次世代の無線ローカルエリアネットワークを構築することもできます。

しかし、テラヘルツ技術のあらゆる機会には、これらの使用事例を完全に実現する前に克服しなければならない課題が伴います。

長所と短所によって定義されるテラヘルツの可能性

テラヘルツ周波数帯は、より広い電磁スペクトル (EMS) の一部であり、現在までテラヘルツ技術は主に天体観測に使用されてきました。 

テラヘルツ波の特性は、テラヘルツ技術の可能性の重要な部分です。EMSにおける赤外線とマイクロ波の間に位置するため、テラヘルツ波は赤外線よりも多くの物質を透過でき、マイクロ波よりも高い空間分解能を提供できます。テラヘルツ波は、紙、プラスチック、段ボール、石膏、セラミック、繊維などの誘電体に対しても比較的深く浸透します。このため、テラヘルツイメージングは、材料の内部構造を分析して物理的特性を評価したり、欠陥や汚染を検出して特定したりするのに役立ちます。

テラヘルツ波が通信を含む多くの用途に魅力的なもう1つの特性は、この技術が湿気があっても空気中を容易に伝播できるという事実です。そのため、非接触測定には超音波よりもさらに便利です。テラヘルツ波の周波数範囲は、マイクロ波放射と比較して、高品質の画像をレンダリングするために必要な優れた空間解像度も達成しました。また、非電離性であるという点で、X線や近赤外線よりも魅力的かつ有用な特性も示しています。テラヘルツ波の非常に魅力的な特性は、X線とは異なり非侵襲性であり、電離放射線の影響がないため、人間、動物、植物に害を及ぼさないことです。

ただし、テラヘルツ波には限界があります。テラヘルツ研究が取り組んでいる大きな課題は、「強力な」テラヘルツ源が比較的弱く、非線形結晶などの特殊な材料が必要になるため、扱いにくく、高価になるという点です。テラヘルツ波は本質的に大きく、微弱であるため、センサーや通信などの他の技術とテラヘルツ波源を統合するには、多くの物流上の課題が残っています。これらのハードルはすでに世界中の科学者によって取り組まれており、その中にはサセックス大学のEPic研究所の科学者も含まれ、同研究所はテラヘルツ放射の短いバーストを放出するために極めて薄い材料からテラヘルツ源を開発している。

もう1つの課題は、テラヘルツ源によって多くの材料を「透視」できるようになり、近接するデバイス間で情報を伝送するために使用されるにもかかわらず、テラヘルツ信号は大気中で急速に劣化してしまうことです。電源の進歩によりこの劣化は防止される可能性が高いものの、テラヘルツ技術の当面の応用は、より制御された環境に限定されています。 

管理された環境は最も早い機会を提供する

現時点では制限があるものの、テラヘルツ技術には今日多くの潜在的な用途があります。成長が期待できる分野としては、科学、産業、医療用途のテラヘルツセンサーやテラヘルツイメージングデバイスなどが挙げられます。 

後者については、テラヘルツ技術の非侵襲的イメージングの使用例が数多くあります。たとえば、テラヘルツ分光法では、物質を識別したり、医薬品や麻薬の組成、分子、空間配置などの化学的特性を特徴付けたりすることができます。高性能のテラヘルツ機器は、細菌の識別、生物組織の識別、血球の検出、癌細胞の特性評価などの生物医学研究や医学のアプリケーションに役立つため、テラヘルツベースのイメージングは研究室でますます需要が高まっています。

テラヘルツイメージングは、皮膚がんや乳がんなどのがんを早期に発見できるだけでなく、皮膚、血管、関節、筋肉など人体の上層部を分析し、包帯の下にある傷の現在の状態を視覚化することもできます。 

医療用途以外の科学的用途としては、テラヘルツ周波数範囲がメタマテリアルやプラズモニック効果の作成と研究に便利であるため、半導体産業で使用されるものを含むさまざまな材料の分析が挙げられます。たとえば、電気光学テラヘルツパルス反射測定法は、超高速レーザー光源駆動の電気光学デバイスの形で適用でき、マイクロエレクトロニクスの障害を分離して欠陥を検出するために使用できます。

テラヘルツの現在の限界のため、セキュリティや防衛などの他の用途はまだ初期段階ですが、テラヘルツイメージングは、通路をスキャンしたり、戦闘環境でのIED検出のために車両に搭載したり、現在または以前の戦場でプラスチック地雷や極小金属地雷を検出したりできる可能性があります。その他の潜在的なセキュリティ用途としては、ショッピングモール、地下鉄の駅、トンネルなどの都市環境での監視が挙げられます。

テラヘルツは6Gを可能にする

イメージングアプリケーション以外にも、テラヘルツ周波数は将来の無線通信システムを実現するものとして注目されています。これらの周波数は0.1 THzから30 THzの範囲をカバーし、EMSではマイクロ波とミリ波の間、赤外線の前に位置します。 

ただし、テラヘルツ技術には通信アプリケーション特有の課題がまだあるため、まだ初期段階です。しかし、研究者は6G研究用のスケーラブルなテストベッドを確立することで、サブテラヘルツ領域を積極的に調査しています。これらのテストベッドは、高性能のマルチチャネル機器とハードウェアを柔軟な信号生成および解析ソフトウェアと組み合わせることで、6Gの候補波形を評価するように設計されています。研究の重要な部分は、これらの新しい周波数帯域と極端な変調帯域幅で可能なレベルのエラーベクトル振幅システムパフォーマンスを決定することです。 

テラヘルツ周波数帯の多くの特性は、将来のテラヘルツベースの無線システムに制限と機会を生み出すという点で、諸刃の剣です。たとえば、テラヘルツ帯の準光学性は、分子吸収効果によってテラヘルツ波の伝播が制限される可能性があることを意味しますが、この同じ効果により、他の周波数帯では利用できないセンシングの機会が生まれます。全体的に、テラヘルツ周波数は、ミリ波やサブ6 GHz帯、サービス、インフラストラクチャと共存する機会が多くあり、センサーや通信に新たな機会を生み出す可能性があります。 

関心の高まりがテラヘルツのイノベーションを推進

テラヘルツ周波数の固有の特性により、テラヘルツ周波数は多くの商業用途にとって魅力的な研究開発分野となっています。さまざまな画像処理アプリケーションにより、人間の健康と安全が向上するだけでなく、通信機能や感知機能の可能性も広がります。ヘルスケアとセキュリティ市場における関心と投資だけでも、すでにテラヘルツ技術の採用が進んでおり、それがさらに開発を促し、さらに多くの商業的応用につながるでしょう。