JP2014110325A - 電磁波吸収体および光トランシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】真横からの電磁波の入射においても、電磁波吸収体の構造がもつ共振モードに効率よく結合できる電磁波吸収体、および、この電磁波吸収体を備えた光トランシーバを提供する。
【解決手段】電磁波吸収体１は、誘電体４０を介して対向する少なくとも１対のスプリットリング導体である頂部プレート１０と底部プレート２０を備えたメタマテリアル構造からなっており、頂部プレート１０と底部プレート２０がビア導体３０によって電気的に接続されている。ビア導体３０の位置は、頂部プレート１０を構成する外側導体１１と内側導体１２とが交わる位置に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波吸収体、および、電磁波吸収体を有する光トランシーバに関する。

光通信に用いられる光トランシーバは、光信号を送信する送信用光サブアセンブリ（ＴＯＳＡ：Transmitter Optical Sub-Assembly）、光信号を受信する受信用光サブアセンブリ（ＲＯＳＡ：Receiver Optical Sub-Assembly）、または、送受信の双方の構成を持つ送受信用光サブアセンブリ等の光サブアセンブリを、多数の電子部品を実装した回路基板と共に金属製の筐体内部に収納保持して構成される。

このような光トランシーバでは、光トランシーバの内部、もしくはホスト装置の内部からホスト装置の外部への電磁放射（ＥＭＩ）を抑え、また、放熱を促進するために、光トランシーバの金属製の筐体を、接地されているケージまたはホスト装置に電気的に接触させて電磁的にシールドすることなどが行われている。

しかしながら、近年は、情報伝送量の増大に対応するために、伝送速度が高速化し、装置の動作周波数が高くなっているため、わずかな隙間からでも電磁放射が外部へ漏洩する。例えば、フロントパネルの開口とケージとの隙間、ケージと光トランシーバ筐体との隙間は、外向きと内向きのフィンガで部分的に塞ぐことが可能であるが、フィンガ間の隙間が残るため、この隙間から電磁放射ノイズの漏れが生じるおそれがある。

このため、出願人は、光トランシーバの筐体内部に櫛歯状導電部材を設けることにより、筺体の内部空間を伝搬する電磁ノイズを櫛歯状導電部材によって減衰させ、外部へのノイズ放射を効果的に低減できる発明を提案している。しかしながら、光トランシーバの大きさはＭＳＡ（Multi Source Agreement）等の業界標準で定められる中、ますます小型化を目指した標準化が進められており、光トランシーバの内部空間の余裕は少ない。そして、櫛歯状導電部材によるツイタテ構造は、櫛歯の高さが基本的に遮断したい波長の１/４になるため、櫛歯状導電部材が光トランシーバ内部で占める容積は無視できず、その設置場所が制限され、他の実装部品の配置が制約されるという問題があった。

一方、超薄型の電磁波吸収体として、例えば、非特許文献１〜３には、所定パターンを有する上部導電体と平板状の下部導電体とが平行な間隙を介して積層されたスプリットリング共振器と呼ばれるメタマテリアル構造体が開示されている。

図１６は非特許文献２に開示された電磁波吸収体の構造を示す図であり、図１６（Ａ）は上側から電磁波吸収体を見た図、図１６（Ｂ）は斜めから見た図を示す。図１６に示されているように、電磁波吸収体１’の１ユニットは略正方形状の金属膜からなる底部プレート２０’と、底部プレート２０’の上側に設置された金属膜からなる頂部プレート１０’とを有し、さらに両プレート間を埋める誘電体４０’と底部プレート２０’の下側に設けた誘電体４０’’から構成されている。

上部プレート１０’は枠状の四角形状をなす外側導体１１’と、この外側導体１１’の対向する２辺の略中央から内側に向けて突出させたＴ字形状の内側導体１２’を有しており、２つのＴ字形状の頂部１３’が所定の間隙を介して対向するようなパターンを有している。

図１７は、図１６に示す電磁波吸収体を平面上に無限に敷き詰めた際の、周波数に対する電磁波の吸収率のシミュレーション結果を示す図であり、種々の入射角度についての結果を示している。図１７（Ａ）は入射波の電界が入射面と直交しているＴＥ波の場合を、また、図１７（Ｂ）は入射波の磁界が入射面に直交しているＴＭ波の場合を示している。

ここで、シミュレーションに用いられている電磁波吸収体１’の諸元は、底部プレート２０’の一辺の長さａが３６μｍ、頂部プレート１０’の一辺の長さｂが２５.９μｍ、Ｔ字形状の頂部１３’の長さｃが１０.８μｍ、Ｔ字形状の頂部１３’間の間隙ｇが１.４μｍ、外側導体１１’の幅ｗが３μｍ、誘電体４０’の厚みｔ１が８μｍ、誘電体４０’’の厚みｔ２が８μｍ、金属膜の電気伝導率σが４.０９×１０^７Ｓ／ｃｍ、複素誘電率εが２.８８＋ｉ０.０９、誘電正接ｔａｎδが０.０３１３である。なお、吸収率Ａは、Ｓパラメータの反射係数Ｓ_１１、伝達係数Ｓ_２１を用いて次式から求まる。
Ａ＝１−Ｒ−Ｔ＝１−Ｓ^２ _１１−Ｓ^２ _２１

N. I. Landy他、「Perfect Metamaterial Absorber」 PHYSICAL REVIEW LETTERS 2008年 5月 23日 p.207402-1〜207402-4 Hu Tao他、「Highly flexible wide angle of incidence terahertz metamaterial absorber: Design, fabrication, and characterization」 PHYSICAL REVIEW B 78, 241103 R 2008 p. 241103-1〜241103-4 Long Li他、「A wide-angle polarization-insensitive ultra-thin metamaterial absorber with three resonant modes」JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 110, 063702 (2011) p. 063702-1〜063702-5

シミュレーションの結果から、図１７（Ｂ）で示すＴＭ波の場合は、１.６ＴＨｚにおいて垂直入射の０°から８０°までの広い角度にわたって１００％近い吸収率を達成しているが、図１７（Ａ）で示すＴＥ波の場合は、１.６ＴＨｚにおいて垂直入射の０度から入射角が大きくなるにしたがって吸収率が大きく低下する結果となっている。

なお、非特許文献１および３に開示されたメタマテリアル構造体からなる電磁波吸収体においても、非特許文献２と同様であり、先行技術文献に示されているような平行平板導波路の上下面に金属膜の構造が設置されているようなスプリットリング共振器では、有限の設置面積内で効果的な電磁波の吸収が実現できていなかった。

本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、真横からの電磁波の入射においても、電磁波吸収体の構造がもつ共振モードに効率よく結合できる電磁波吸収体、および、この電磁波吸収体を備えた光トランシーバを提供することを目的とする。

本発明による電磁波吸収体は、所定の間隙を介して対向する少なくとも１対のスプリットリング導体を備えたメタマテリアル構造からなる電磁波吸収体であって、前記１対のスプリットリング導体がビア導体によって電気的に接続されていることを特徴とする。電磁波吸収体の１対のスプリットリング導体の間に誘電体が設けられていてもよく、１対のスプリットリング導体が平面状に複数配列されていてもよい。

また、１対のスプリットリング導体の一方は平板状であってもよい。さらに、１対のスプリットリング導体の少なくとも一方が、外枠あるいは外枠の一部を構成する外側導体と該外側導体から内側に突出する内側導体を有しており、外側導体と内側導体とが交わる位置にビア導体が設けられていることが望ましい。また、電磁波吸収体を光トランシーバの筐体内部に設けてもよい。

本発明によれば、１対のスプリットリング導体にビア導体を付加することにより、真横からの電磁波の入射でも電磁波吸収体の構造がもつ共振モードに効率よく結合でき、電磁波の吸収率を高めることができる。

本発明の実施形態に係る電磁波吸収体のユニットの一例を示す外観図である。 図１に示す電磁波吸収体のユニットを上側から見た図である。 図１に示す電磁波吸収体のシミュレーションに用いた導波路の構造を示す図である。 図３に示す導波路を用いて行った、電磁波吸収体のＦＤＴＤシミュレーションの結果とビア導体を設けない場合の比較結果を示す図である。 図１に示す電磁波吸収体のユニットを複数設けた場合のシミュレーションに用いた導波路の構造を示す図である。 図５に示す導波路を用いて行った、電磁波吸収体のユニット数を変えた場合におけるＦＤＴＤシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る電磁波吸収体を示す図であり、図１に示す電磁波吸収体のユニットを平面状に複数並べて構成した電磁波吸収体を示す図である。 本発明の実施形態に係る電磁波吸収体の他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電磁波吸収体のさらに他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電磁波吸収体の１対のスプリットリング導体の頂部プレートの他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電磁波吸収体の１対のスプリットリング導体の他の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電磁波吸収体の１対のスプリットリング導体のさらに他の例を示す図である。 本発明に係る電磁波吸収体を筐体内部に設けた光トランシーバを示す図である。 図７に示す電磁波吸収体を光トランシーバのトップハウジングに設けた図である。 図７に示す電磁波吸収体を光トランシーバのボトムハウジングに設けた図である。 非特許文献２に開示されたメタマテリアル構造を示す図である。 非特許文献２に開示されたメタマテリアル構造による周波数に対する吸収率のシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の電磁波吸収体および光トランシーバに係る好適な実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電磁波吸収体のユニットの一例を示す外観図であり、図２は、図１に示す電磁波吸収体のユニットを上側から見た図である。なお、以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。

電磁波吸収体１のユニットは略正方形状の金属膜からなる底部プレート２０と、底部プレート２０の上側に設置された金属膜からなる頂部プレート１０とを有している。電磁波吸収体１の頂部プレート１０は枠状の四角形状をなす外側導体１１と、この外側導体１１の対向する２辺の略中央から内側に向けて突出させたＴ字形状の内側導体１２を有しており、２つのＴ字形状の頂部１３が所定の間隙ｇを介して対向するようなパターンを有している。また、両プレート１０、２０間を充填する誘電体４０から構成されている。なお、これらの構成は、図１６で示したメタマテリアル構造と同じである。

そして、本発明の電磁波吸収体１は、２層の金属層である頂部プレート１０と底部プレート２０とがビア導体３０を介して電気的に接続されている点で、図１６に示したメタマテリアル構造体と異なっている。本発明では、頂部プレート１０と底部プレート２０のように、平行平板導波路の上下面に金属膜を設けた構造における１対の金属膜を１対のスプリットリング導体と呼ぶこととする。図１に示す実施形態では、底部プレート２０は平板状の金属膜からなっているが、後述するように底部プレート２０が頂部プレートと同様のパターンを有していてもよい。

ビア導体３０は、Ｔ字形状の内側導体１２を突出させた外側導体１１の対向する２辺の略中央部に設けられている。このように、外枠を構成する外側導体１１と、外側導体１１から内側へ突出する内側導体とが交わる位置にビア導体を設けることが望ましい。また、頂部プレート１０と底部プレート２０とは、部分的にキャパシタンスが形成される構造となっており、１対のスプリットリング導体である頂部プレート１０と底部プレート２０との層間に充填する誘電体材料は、ポリイミドやＦＲ４などの誘電正接値が０.００５〜０.０３程度の一般的な基板材料が用いられる。

次に、本発明に係る電磁波吸収体の電磁波の吸収特性のシミュレーション結果を示す。図３は、図１に示す電磁波吸収体のシミュレーションに用いた導波路の構造を示す図である。導波路５０は、電磁波吸収体１の幅ａに等しい幅ａと、高さｄを有する断面四角形状の平行平板状の導波路であり、導波路５０内部の底面に頂部プレート１０が上側となるように電磁波吸収体１を１ユニット設置した場合についてシミュレーションを行った。また、導波路５０のｘｚ両側面は電壁（対象境界面）とするとともにｙｚ両側面は磁壁（対象境界面）とし、電磁波としてｙ方向の電界を励振させた。

図４は、図３に示す電磁波吸収体のＦＤＴＤ（Finite Difference Time Domain）シミュレーションの結果とビア導体を設けない場合の比較結果を示す図であり、図４（Ａ）がビア導体３０を設けた場合の結果を、また、図４（Ｂ）がビア導体３０を設けない場合の結果を示している。シミュレーションに用いた電磁波吸収体１と導波路５０の諸元は次のとおりである。
底部プレート２０の一辺の長さａが３.０ｍｍ、
頂部プレート１０の一辺の長さｂが２.１ｍｍ、
Ｔ字形状の頂部１３の長さｃが１.２ｍｍ、
Ｔ字形状の頂部１３間の間隙ｇが０.２ｍｍ、
外側導体１１の幅ｗが０.２ｍｍ、
誘電体４０の厚みｈが０.７７ｍｍ、
導波路５０の幅ａが３.０ｍｍ
導波路５０の高さｄが３.５２ｍｍ
金属膜の電気伝導率σが０.０７５１Ｓ／ｃｍ、
誘電体の比誘電率εｒが４.５、
２０ＧＨｚでの誘電正接ｔａｎδが０.０１５

図４（Ａ）に示すように、ビア導体３０を設けた場合は、９０％を超える吸収率を達成しており、真横からの電磁波の入射においても十分に電磁波吸収体として機能することが分かる。一方、ビア導体３０を設けない場合は、図４（Ｂ）に示すようにピーク吸収率は３０％程度にとどまり、非特許文献２で示した結果と同様となった。以上からシミュレーションの結果として、本発明の電磁波吸収体１は１ユニットの場合でも電磁波吸収体としての機能を果たすことが示された。

次に、本発明の電磁波吸収体１は１ユニットでも効果があるが、ユニット数を増やすことにより吸収特性がさらに向上する。図５は、図１に示す電磁波吸収体のユニットを複数設けた場合のシミュレーションに用いた導波路の構造を示す図であり、図４に示す導波路５０と同じ導波路であるが、内部の底面に頂部プレート１０が上側となるように複数の電磁波吸収体１のユニット設置した場合を示している。

図６は、図５に示す電磁波吸収体のユニット数を変えた場合におけるＦＤＴＤシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションに用いた諸元は、先述した図４のシミュレーション結果を得た場合と同じ諸元を用いた。図６では、電磁波吸収体１のユニット数を、１ユニット、３ユニット、１３ユニットにした場合を示している。図６から、ユニット数を増やす方が電磁波の吸収率は吸収帯域とともに向上することが分かる。そして、９８％以上の吸収を実現するには、電磁波の進行方向に対してユニットを３個以上設置することが望ましいことが分かる。

図７は、本発明の実施形態に係る電磁波吸収体を示す図であり、図１に示す電磁波吸収体のユニットを平面状に縦横に複数並べて構成した電磁波吸収体１００を示す図である。図６で示したシミュレーション結果から、実際に電磁波吸収体として用いる場合は、図７に示すように複数の電磁波吸収体１のユニットを並べて利用することが望ましい。なお、図７に示す電磁波吸収体１００の底部プレートは、平板状の共通の１枚の金属膜から構成することができる。

図８は、本発明の実施形態に係る電磁波吸収体の他の例を示す図である。図８に示す電磁波吸収体は、図１に示した電磁波吸収体のユニットと、このユニットとは異なるサイズの電磁波吸収体のユニットとを組み合わせて配置している。図４は、電磁波吸収体の頂部プレートのみを示しており、小さい方の電磁波吸収体の頂部プレート１０’’の大きさは、大きい方の電磁波吸収体の頂部プレート１０の約４分の１の大きさとなっている。このように配置することにより異なる２つの周波数での吸収率を向上させることが可能となる。なお、図８に示す電磁波吸収体の底部プレートは図示していないが、平板状の共通の１枚の金属膜から構成することができる。

図９は、本発明の実施形態に係る電磁波吸収体のさらに他の例を示す図である。図９に示す電磁波吸収体は、電磁波吸収体のユニットを９０°傾けて互い違いに配置したものである。このように配置することにより電磁波の入射角にバラツキがあっても対応することができる。なお、図９に示す電磁波吸収体の底部プレートも図示していないが、平板状の共通の１枚の金属膜から構成することができる。

以上、電磁波吸収体として、頂部プレート１０が図１に示すパターンを有する電磁波吸収体について説明したが、頂部プレートの形状は、図１に示すパターン以外のものでも構わない。図１０は、本発明の実施形態に係る電磁波吸収体の１対のスプリットリング導体の頂部プレートの他の例を示す図である。

図１０（Ａ）〜（Ｅ）に示した頂部プレート１１０，２１０，３１０，４１０，５１０のいずれのものにおいても、それぞれ外枠あるいは外枠の一部を構成する外側導体１１１，２１１，３１１，４１１，５１１と外側導体１１１，２１１，３１１，４１１，５１１から内側へ突出する内側導体１１２，２１２，３１２，４１２，５１２を有しており、それぞれ外側導体１１１，２１１，３１１，４１１，５１１と内側導体１１２，２１２，３１２，４１２，５１２とが交わる位置にビア導体３０が設けられている。

そして、図２あるいは図１０（Ａ）に示す頂部プレート１０，１１０を有する電磁波吸収体は、ｙｚ面に対して面対称となっているため、z方向からの入射電磁波に対して特に高い吸収特性を示す構造となっている、また、図１０（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）に示す頂部プレート２１０，３１０，４１０，５１０を有する電磁波吸収体は、ｘｙ面に関しても面対称となっており、ｚ方向だけでなく、ｘ方向からの入射電磁波に対しても高い吸収特性を示す構造となっている。

図１１は、本発明の実施形態に係る電磁波吸収体の１対のスプリットリング導体の他の例を示す図である。図１１に示すように、電磁波吸収体は誘電体１４０の両面に頂部プレート１１０と底部プレート１２０を配置した構造となっているが、底部プレート１２０の大きさと頂部プレート１１０の大きさとが一致していなくても構わない。

図１２は、本発明の実施形態に係る電磁波吸収体の１対のスプリットリング導体のさらに他の例を示す図である。図１２に示す電磁波吸収体１では、頂部プレート１０と底部プレート２０’とが同じ金属膜のパターンを有している。図１１あるいは図１２に示すような底部プレートが誘電体層を一面に覆うようなベタな金属層でない電磁波吸収体は、例えば、図３で示した導波路の底部や壁面ではなく、中空に浮いたような状態で用いる場合に適している。

図１３は、本発明に係る電磁波吸収体を筐体内部に設けた光トランシーバを示す図であり、図１４は、図７に示す電磁波吸収体を光トランシーバのトップハウジングに設けた図、図１５は、図７に示す電磁波吸収体を光トランシーバのボトムハウジングに設けた図である。光トランシーバ１１０の場合、トップハウジング１０１とボトムハウジング１０２からなる筐体の長手方向の内部空間は、導波管と同様の構造となっている。このため、内部空間の構造で定まる遮断周波数以上の周波数を有するノイズは、筺体の内部空間を伝搬し長手方向の間隙から外部へ放射されるため、この電磁放射を抑える必要がある。

本発明の電磁波吸収体１は極めて薄く構成することができ、かつ、１対のスプリットリング導体の面に平行な電磁波についても高い吸収率を有することから、例えば、光トランシーバ１００のトップハウジング１０１の内面あるいはボトムハウジング１０２の内面、さらには、両者の内面に貼り付けるだけで、外部への電磁放射を抑えることが可能となる。なお、光トランシーバ１００の筐体内に設ける電磁波吸収体としては、図７に示した頂部プレートのパターンを有するものに限られることはなく、他のパターンを有するものであってもよい。

以上、本発明に係る電磁波吸収体、および、電磁波吸収体を設ける部品として光トランシーバを例に説明したが、本発明に係る電磁波吸収体は単独の部品として作成することが可能であり、光トランシーバに限らず種々の電子部品に取り付けることが可能である。さらに、回路基板に設ける場合は、回路基板の空き領域に本発明の電磁波吸収体を作り込んでもよい。

１…電磁波吸収体、１０，１０’，１０’’，２１０，３１０，４１０，５１０…頂部プレート、１１，１１’，１１１，２１１，３１１，４１１，５１１…外側導体、１２，１２’，１１２，２１２，３１２，４１２，５１２…内側導体、１３，１３’…Ｔ字状の頂部、２０，２０’，１２０…底部プレート、３０…ビア導体、４０，４０’，１４０…誘電体、５０…導波路、１００…電磁波吸収体、１０１…トップハウジング、１０２…ボトムハウジング、１１０…光トランシーバ。

Claims (7)

1. 所定の間隙を介して対向する少なくとも１対のスプリットリング導体を備えたメタマテリアル構造からなる電磁波吸収体であって、前記１対のスプリットリング導体がビア導体によって電気的に接続されていることを特徴とする電磁波吸収体。
2. 前記１対のスプリットリング導体の間に誘電体が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波吸収体。
3. 前記１対のスプリットリング導体が平面状に複数配列されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波吸収体。
4. 前記１対のスプリットリング導体の一方が平板状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の電磁波吸収体。
5. 前記１対のスプリットリング導体の少なくとも一方が、外枠あるいは外枠の一部を構成する外側導体と該外側導体から内側に突出する内側導体を有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の電磁波吸収体。
6. 前記外側導体と前記内側導体と交わる位置に、前記ビア導体を設けたことを特徴とする請求項５に記載の電磁波吸収体。
7. 請求項１から６のいずれか１に記載の電磁波吸収体を筐体内部に設けたことを特徴とする光トランシーバ。

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