Research/Tunable Terahertz Metamaterial Based on MEMS Technology

2018-11-23 (金) 17:58:12 (329d)

静電駆動型スプリットリング共振子アレイのTHzフィルタ応用

アブストラクト

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金属系材料の表面マイクロマシニング技術を用いて静電駆動型のMEMSスプリットリング共振子(Split-Ring Resonator, SRR)アレイを構成し、各要素の透過/遮断を制御することによって新たにテラヘルツ光用のバイナリ・オプティクス(レンズ、回折格子、空間スキャナ)を構成すること検討している。これまでの成果として、アルミを犠牲層、金を構造に用いたMEMS−SRR構造を製作し、電磁界解析結果で説明できるTHz透過スペクトルを測定した。

本研究の目標

自然界の誘電体材料はTHz光に対して透明であることが多く、そのためにTHz光学系は金属を用いた大型の反射光学系であることが多い。本研究の目的は、これをMEMSスプリットリング共振子(Split-Ring Resonator, SRR)型の透過光学素子に置き換えることで、光学系を小型化することにある。

MEMS−SRRの原理

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一辺が80μm程度の四角の金属枠は、THz周波数領域ではインダクタとして機能する。この枠の中央に途中を絶縁した金属パターン(スプリット電極)を配置して、これを容量として用いると、LC共振によってTHz光が遮断できる。ここで新たにこの構造の上部にブリッジ状の金属構造を配置し、これを静電駆動すると、電極間容量が変化するためにLC共振周波数が変化する。このときの透過スペクトル変化を使うことで、特定周波数のTHz光に対して透過/遮断を制御するピクセルが構成できる。

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さらにこのピクセルを空間的にアレイ配置してピクセルを個別に駆動すれば、フレネルゾーンプレート(同心円状のレンズ)、回折格子(ストライプ状)、空間スキャナ(チャープ・ストライプ)などの可変THz光学系が構成できる。

MEMS−SRRの設計モデル

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電磁界解析ソフトHESSを用いたSRR内の電流分布解析結果をみると、静電容量がOFF状態の時には、周波数468GHzにおいてSRRの内部に電流が発生し、LC共振を起こしていることが分かる。一方、静電容量をONにするとその周波数における共振現象が消滅する。なお本研究では、SRRを横一列に接続してこれを基板電極に用い、ブリッジを静電駆動する方法をとった。これにより、余計な駆動電極を配線する必要がなくなり、THz特性とアクチュエータを独立して設計できる。なおTHz用のSRRを可変にする研究は、半導体の空乏層を印加電圧で制御する方式などが報告されているが、MEMS型の可変容量素子をSRRに用いる手法は、本研究独自の方法である。

実験結果

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本研究ではこれまでに、ガラス基板(40mm×40mm×厚さ1mm)の上に、スパッタ・蒸着・フォトリソなどの手法によってMEMS−SRRアレイを試作し、駆動電圧10〜20Vで上部電極が静電駆動できることを確認した。

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また、THz測定光学系を用いて、製作したMEMS−SRRが設計値通りの460GHzに共振スペクトル(遮断)を持つことを実験的に確認した。

参考文献

  1. Z. Han, H. Fujita, and H. Toshiyoshi, “Electrostatically Tunable MEMS THz Metamaterials based on DC/RF Decoupled Split-Ring Resonator Arrays,” in Proc. IEEE International Optical MEMS & Nanophotonics Conference, Banff, Alberta, Canada, August 6-9, 2012, pp. 27-28.
  2. H.-T Chen, W. J. Padilla, J. M. O. Zide, A. C. Gossard, A. J. Taylor, and R. D. Averitt, “Active teraherz metamaterial devices,” Nature, vol. 444, Nov. 30, 2006, p.597-600.
  3. 東京大学産学連携プロポーザル
  4. 本研究に関する発表】韓 正利、河野健太、Tapio Makela、Tomi Haatainen、平川一彦、藤田博之、年吉 洋、「静電駆動型Split−Ring共振子アレイのTHzフィルタ応用」 第30回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム、2013年11月5日〜7日、仙台国際センター、7PM1-B-2.

Tunable Terahertz Metamaterial Based on MEMS Technology

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Metamaterial is an artificial material, which gains effective properties from its micro/nanoscopic structures. Metamaterials have several properties that are not previously observed in nature, such as, negative refractive index, cloaking effect, super lens and ultrahigh-resolution imaging systems. Metamaterials can be operated over a wide electromagnetic spectral range, and also can be used in THz frequency by appropriately choosing the device dimensions. In a practical engineering applications, metamaterials are expected to be tunable to reconfigure the device performance in terms of, for instance, wavelength filter, intensity/phase modulator as well as spatial modulator (scanner). In this work, we develop three types of MEMS-compatible MM structures for tunable THz filter by using MEMS technique on a split ring resonator (SRR).

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we develop novel MEMS-compatible metamaterial structures for tunable THz filter by using the MEMS tunable capacitor within the SRR. Thanks to the decoupling between DC and RF (radio frequency), the MEMS capacitance is directly controlled by applying DC voltage through the chained SRR patterns, thereby allowing simple electromechanical design for electrostatic actuation and SRR.

Reference

  1. Zhengli Han, Hiroyuki Fujita, and Hiroshi Toshiyoshi, "Electrostatically Tunable MEMS THz Metamaterials based on DC/RF Decoupled Split-Ring Resonator Arrays," in Proc. IEEE International Optical MEMS & Nanophotonics Conference, Banff, Alberta, Canada, August 6-9, 2012.