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～

研究の背景

音叉をたたくと、その構造によってきまる特定の周波数の音が発生することはよく知られています。同じようにMEMS（マイクロ電気機械システム）^※1と呼ばれる微小な構造を振動させると、超音波という人間の耳では聞こえない高い周波数の振動が引き起こされます。最新の移動体通信システムでは、この現象を利用した表面弾性波フィルタ^※2や発振素子などのMEMS振動子が、送受信した高周波信号の処理に応用されています。NTTの研究チームでは、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^※3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た超音波振動^※4の伝搬を制御する技術の研究を進めてきました。フォノニック結晶を使うことで、超音波の分散^※5制御が可能となり、これにより既存のMEMSで困難であった超音波振動の進む速さや波長の制御が実現できます。

研究の成果

　本研究で使用したフォノニック結晶は、図1に示すように、太鼓の膜を一方向に伸ばしたような微小な振動を伝える路（導波路）から構成されています。導波路端に設置した電極に電圧を加えることで、圧電効果^※6を介して、局所的に超音波振動を誘起することができます。この振動の伝搬を測定することにより、フォノニック結晶が有する群速度^※7の周波数依存性、いわゆる分散を実験的に明らかにしました（図2）。この群速度分散によって、異なる周波数の波が異なる速度でフォノニック結晶中を伝搬するようになります。そして、導波路端から周波数変調を加えた振動を入力することで、この分散による波形の拡大と圧縮に初めて成功しました（図3）。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ます。

今後の展開

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ました。今後は、素子の非線形効果を取り入れて、ソリトン^※8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きます。さらに、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きます。その上で、MEMS信号処理システムにおける増幅器や演算素子としての利用可能性を探っていきます。

技術のポイント

（1）MEMS技術により作製したフォノニック結晶

フォノニック結晶は、異なる弾性体の周期構造から構成された音響人工結晶です。周期構造をエンジニアリングすることにより、バンド構造や振動の群速度分散特性を自在に設計することが可能になります。NTTでは、MEMS技術をベースにして、周期的な孔を有する薄膜構造から構成される独自のフォノニック結晶導波路を作製しました（図1）。その結果、導波路端に設置した電極に電圧を加えるだけで、効率的に超音波振動をオンチップで誘起できるようになります。この励振技術を介して振動の伝搬特性を調べて、素子が有する群速度分散特性を評価することができます（図2）。

（2）分散効果を用いた波形制御

フォノニック結晶が有する群速度分散を利用する事で、波形の拡大や圧縮を実現しました。入力信号の周波数変調パラメーターと分散のそれぞれの符号や値の組み合わせを調整することで、狙った位置やタイミングで、振動波形の圧縮を実現できるようになります。特に、実験では、エネルギー換算で一桁もの振動強度の増幅が確認されました（図3）。本実験では、測定装置の性能が、観測可能な波形圧縮の限界を決めていました。そのため、測定系を改善することで、さらに強い圧縮と大きな増幅の実現が期待されます。また、フォノニック結晶中での波形の変化は、非線形シュレディンガー方程式で記述される理論式と非常によい一致を示しており、本技術を用いることで、波形の精確な制御が可能となることもわかります。さらに、実験では、異なる周波数をもつ振動間の相互作用を調べることにより、素子の非線形特性の評価にも成功しており、ソリトンなどの非線形フォノニクス現象の生成に将来繋がることが期待されます。

図1　フォノニック結晶導波路
フォノニック結晶導波路の模式図です。ガリウム砒素（GaAs）の多層構造から作製されています。導波路端の電極（黄色）に電圧を加えて、超音波振動の生成ができます。その超音波は薄膜（水色）が太鼓の膜のように上下に振動することで導波路を伝わっていきます（下の挿入図）。また、薄膜の周期孔の間隔を調整することで、振動の分散特性の制御が可能になります（上の挿入図）。

図2　フォノニック結晶の群速度分散
群速度の周波数依存性（群速度分散）の実験結果（丸）と理論による計算結果（実線）を示します。正と負、大小さまざまな分散を有していることがわかります。

図3　超音波振動波形の拡大と圧縮
（a） 周波数5.8 MHzにおける振動波形幅の伝搬距離依存性のグラフです。点が実験結果、実線は理論結果となります。C > 0 （C < 0）では、波の先頭から後方に向かって、周波数が増加（減少）するように入力信号に変調を加えています。また、Cの絶対値が大きいほど、周波数の変調幅が大きいことを示します。（b）C = 9.7のときの波形の時間領域応答の結果です。波形の強い圧縮が確認できます。