125GHz周波数逓倍器の導波管キャビティのマイクロステレオリソグラフィー3Dプリント

出典: MF Precision

テラヘルツ波は、周波数が 0.1THz から 10THz の電磁波を指します。その波長は 30 から 3000μm です。スペクトル内での位置はマイクロ波と可視光線の間です。長波部分はミリ波と重なり、短波部分は赤外線と重なります。テラヘルツ波は電磁波スペクトル内で非常に特別な位置を占めており、広帯域、相補性、過渡性、コヒーレンス、低エネルギー、投影など、多くの特別な特性を持っています。テラヘルツ波はミリ波に比べて周波数が高く、波長が短いため、解像度が高く、指向性が強く、情報容量が大きく、デバイスを小型化できます。また、光波に比べて透過性が強く、雲、霧、煙などの極めて過酷な環境にも適しています。テラヘルツ周波数源はテラヘルツ技術の発展の鍵であり、その性能指標はテラヘルツシステム全体の性能に影響を与えるため、テラヘルツ周波数源の取得は非常に重要です。周波数倍増によって得られる信号源は、高周波安定性が良好、機器の主振動周波数が低い、動作周波数帯域が広いなどの利点があり、現在、テラヘルツ周波数源を得るための広く採用されているソリューションです。

GaAs ショットキーダイオードに基づくテラヘルツ周波数 2 倍器は、その高い効率、低いエネルギー消費、および室温での適用可能性により、ヘテロダイン受信機の局部発振器 (LO) 用の信頼性の高い信号源として広く使用されています。テラヘルツ周波数逓倍器は、大気リモートセンシング、医療用画像処理、さらには高速通信など、幅広い実用的な用途に使用されています。現在、テラヘルツ周波数倍増器をカプセル化するために使用される導波空洞は、通常、コンピュータ数値制御（CNC）処理によって製造されています。この成熟したプロセスは、高精度、高精度、良好な表面仕上げを実現し、電子部品と導波空洞間の厳しい寸法公差要件を満たすことができます。近年、3D プリンティングは小ロットで迅速に処理できるため、受動型マイクロ波デバイスの処理に徐々に使用されるようになっています。しかし、大きな印刷フォーマットと高い許容度制御の両方を備えた印刷装置はほとんどなく、100GHzを超える周波数帯域の装置を準備するための3D印刷に関する報告はほとんどありません。 3D プリントされた周波数逓倍器に関する報告はありません。

図1. 125GHz周波数逓倍器の断面図: (a)導波管キャビティレイアウト、(b)MMICのクローズアップ

図2. マイクロナノ3Dプリント導波路キャビティ（左）とMMIC付き導波路チャネル（右）

最近、英国バーミンガム大学のTalal Skaik氏、Yi Wang氏らは、投影型マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）3D印刷プロセスを初めて使用して、テラヘルツ周波数2倍器の導波路空洞を準備しました。研究チームは、BMF の nanoArch® S140 システムを使用して導波路キャビティを 3D プリントしました。図 2 に示すように、プリント材料は耐熱樹脂 (HTL) でした。全体の寸法は 30.4 mm × 25.5 mm × 19.1 mm、プリント層の厚さは 20 μm、光学精度は 10 μm でした。印刷後、フィルムはイソプロピルアルコールで洗浄し、30 分間 UV 硬化させ、その後 60 °C で 30 分間最終的な熱硬化を行いました。作製した導波空洞を光学システムで検査したところ、欠陥は見つかりませんでした。MMIC（モノリシックマイクロ波集積回路）と整合した導波路チャネルの測定値は609μmで、設計の630μmよりも良好でした。同時に、超高光学精度印刷により厳格な寸法公差が保証され、導波空洞の2つの部分を正確に整合させてMMIC回路の損傷を防ぐことができます。

図3.電気メッキ後の導波管キャビティの表面仕上げ

図4. 組み立てられたテラヘルツ周波数逓倍器

信号伝送を促進し、外部干渉を低減するために、導波管キャビティの表面には 4μm 厚の銅と 0.1μm 厚の金がメッキされており、平均表面粗さは図 3 と図 4 に示すように約 1.4μm です。電磁シミュレーションの結果から、この粗さが周波数変換損失に与える影響はごくわずかであることが示されています。

図5. 3Dプリントと従来のCNC加工によるテラヘルツ周波数逓倍器の性能パラメータ比較

実験テストにより、3D プリントで作成されたテラヘルツ周波数逓倍器の性能は、従来の CNC で作成された周波数逓倍器の性能に非常に近いことが判明しました。関連する性能パラメータを図 5 に示します。 3Dプリントされたテラヘルツ周波数逓倍器は、出力周波数126GHzで最大出力33mW、入力電力80mW～110mWで約32%の変換効率を達成しており、これは従来のCNC加工周波数逓倍器の最大出力と変換電力に匹敵します。

この研究成果は、「ステレオリソグラフィーで製造された導波路空洞を使用した125GHz周波数倍増器」というタイトルで、IEEE Transactions on Terahertz Science and Technologyの会議誌に掲載されました。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1109/TTHZ.2021.3131915

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