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本文1634字，阅读约需5分钟

摘要：成功在高阻单晶硅单层衬底上，一体形成波导与MEMS结构的新型器件结构，兼顾了3.6mW的低功耗和高开关性能（消光比为13.69dB），有望为用于6G通信的光子集成电路的小型化和低功耗化做出贡献。

关键词：6G、太赫兹光开关、单层硅衬底、MEMS、一体成型

要点

开发出一种在太赫兹波段工作的开关器件（光开关）。
成功在单层硅衬底上制造了该器件，而非传统的复杂多层结构。
实现了3.6mW的低功耗和高开关性能（消光比为13.69dB）。
有望为用于6G通信的光子集成电路的小型化和低功耗化做出贡献。

概要

随着智能手机和物联网设备的普及，通信数据量逐年增长，而下一代6G通信需要新技术来实现更高速、更大容量的数据量传输。被称为“太赫兹波”的高频无线电波作为一种极具潜力的候选技术备受关注，开发能够高效处理太赫兹波的小型低功耗器件至关重要。尤其重要的是，需要实现诸如光开关之类的动态调制器件，以切换太赫兹波的路径并控制其开关状态。

研究小组开发出一种在太赫兹波段工作的光开关。本研究中，研究小组利用微机电系统（MEMS）技术驱动微型机械结构，成功在比以往更简单的单层硅衬底上制造了该器件。其主要特点是以简单的结构实现了可动态控制的器件。

所开发的器件在300GHz的高频下表现出优异的开关性能（消光比为13.69dB），且功耗低至3.6mW。这有望为实现用于未来6G通信设备及高性能传感器等的更小型、节能系统做出贡献。

研究背景

由于智能手机和物联网设备的普及，通信数据量持续增长，而6G通信有望利用太赫兹波段实现超高速、高容量的通信技术。

为了实用地处理这种太赫兹波，实现将信号生成、传输和控制集成到单个芯片上的“太赫兹光子集成电路（PIC）”至关重要。然而，这一领域在全球范围内仍处于研发初期阶段，亟需建立器件结构和集成技术。

传统的用于光通信的PIC是采用硅波导（光路径）发展起来的，但在太赫兹波段，介质损耗的影响显著，因此波导需要使用低损耗的高电阻硅材料。另一方面，使用MEMS驱动可移动结构也需要能够施加电压的导电性，而过高电阻的材料会使驱动变得困难。因此，如何同时满足低损耗传输和电气驱动性这两个相互矛盾的要求成为一大挑战。

特别是，类动态调制器件（例如能够开关信号或改变信号路径的光开关）是太赫兹PIC的重要组成部分。然而，在实现低损耗传输和高效可动控制的同时，实现不依赖复杂的多层结构的简单器件结构并非易事。

研究内容

为解决上述课题，研究小组采用了一种兼顾两者平衡的设计，即在降低太赫兹波传播损耗的同时，使硅具有能够施加电压的电阻率。

此外，研究小组实现了一种在高阻单晶硅单层衬底上，一体形成波导与MEMS结构的新型器件结构。该器件的特点是将太赫兹波导与可动机构集成在单层硅衬底上，此类光开关的实证实验在全球尚属首次。

图1显示了所制造器件的外观照片。该器件设计紧凑，长度为5.65mm，将波导和可动机构集成在单层硅衬底上。利用电驱动微机械结构的MEMS技术，并通过梳齿静电型致动器移动硅波导，实现了切换太赫兹波传播状态的机制。传统的基于硅衬底的器件需要多层结构，而本方法可在单层衬底上实现一体成型，同时简化了结构并降低了制造成本。

图1. 在单层硅衬底上制造的太赫兹光开关的外观照片：(a)整体照片；(b)放大照片

图2显示了光开关根据施加电压的动作情况。随着电压的增加，中间的可动波导会移动，通过改变与固定波导之间的间隙（距离），可以确认太赫兹波的开关状态发生变化。

图2. 根据施加电压光开关部的开关动作情况

图3显示了光开关的输出特性。透射强度会根据施加电压发生较大变化，从而可以实现对太赫兹波的开关控制。该器件在93V下实现了最大约185µm的位移，并在300GHz下实现了13.69dB的消光比。此外，工作时的功耗保持在3.6mW的低水平，同时实现了高频工作与低功耗。

图3. 光开关对施加电压的输出特性

未来展望

本研究开发的光开关作为在芯片上灵活控制太赫兹波的基础技术，有望得到广泛应用。未来，通过进一步开发，旨在实现将多种功能集成于单个芯片的小型、高性能器件。

此外，通过进一步降低功耗与工作电压，该技术有望应用于包括下一代6G通信设备、非接触式传感和安全检测设备在内的众多领域。

本成果为利用太赫兹波的通信和测量技术的实用化奠定了基础，随着后续研发的推进，信息通信基础设施的升级将有望促进支撑人们日常生活的各种技术的进一步发展。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20260507_03web_terahertz.pdf

https://doi.org/10.1109/TTHZ.2026.3683533

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