硬くて脆いシリコンをフレキシブル化することでテラヘルツ波を制御 ~MEMS微細加工で「フレキシブル・テラヘルツシリコンフォトニクス」を創成~

2026-10-27 東北大学

東北大学の研究チームは、微細加工技術を用いて、硬くて脆い単結晶シリコンに柔軟性と伸縮性を持たせ、テラヘルツ波に対する光学応答を機械的に制御する技術を開発した。シリコン基板に微細なばね状構造を形成することで、基板全体を曲げたり伸ばしたりできる構造へと変換した。さらに、構造の変形によってシリコンの実効的な屈折率を調整し、テラヘルツ波の伝搬特性を制御できることを実証した。これは、機械的に変形する構造とテラヘルツ光学機能を同じシリコン材料に統合する「フレキシブル・テラヘルツシリコンフォトニクス」の基盤技術である。テラヘルツ波は、通信、センシング、非破壊検査などへの応用が期待されている。本技術により、従来の剛直な半導体デバイスでは難しかった、形状や伸縮に応じて特性を変えられる光学素子の実現が期待される。

硬くて脆いシリコンをフレキシブル化することでテラヘルツ波を制御 ~MEMS微細加工で「フレキシブル・テラヘルツシリコンフォトニクス」を創成~
フレキシブル・ストレッチャブル単結晶シリコン基板

<関連情報>

伸縮性シリコン有効媒質に基づくテラヘルツフォトニック材料の屈折率調整 Refractive index tuning of terahertz photonic materials based on a stretchable silicon effective medium

Hidemasa Yamane, Yoshiharu Yamada, Yusuke Kondo, Ken Miyajima, Masayuki Fujita, and Shuichi Murakami
Optica  Published: October 20, 2026
DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.596183

Abstract

High-resistivity single-crystal silicon (Si) is a low-loss and microfabrication-compatible platform for terahertz (THz) photonics, but its brittleness has largely limited Si THz components to mechanically rigid structures. Here, we demonstrate a structurally stretchable Si effective medium in which the optical properties of a Si/air dielectric composite are mechanically tuned by deforming the Si framework itself. A 200µm-thick high-resistivity Si slab was patterned by MEMS micromachining into a subwavelength spiral-spring through-hole lattice, converting bulk Si into a mechanically compliant, substrate-free photonic medium. In this architecture, the same monolithic Si microstructure provides both mechanical compliance and electromagnetic functionality: Uniaxial elongation changes the Si/air filling fraction and structural anisotropy, thereby tuning the effective permittivity and birefringence of the medium. THz time-domain spectroscopy verifies this concept by showing high transmission below 0.6 THz and a monotonic, polarization-dependent decrease in the retrieved effective refractive index; at 12.6% elongation, the effective index decreases by approximately 6%–8% without a detectable increase in extinction. These results establish structurally flexibilized bulk Si as a MEMS-compatible platform for mechanically tunable and structurally flexible all-dielectric THz effective media, providing a basis for future deformable THz photonic components after device-specific optical and mechanical optimization.

0403電子応用
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