(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の伝搬特性を測定する伝搬測定装置であって、
第１の周波数の第１光信号を出力する第１光源と、
第２の周波数の第２光信号を出力する第２光源と、
前記第１光信号および前記第２光信号を用いて、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数のテラヘルツ光を生成し、前記被測定物に放射するテラヘルツ光出力部と、
前記被測定物を透過した前記テラヘルツ光を検出する第１検出部と、
前記第１検出部が検出した前記テラヘルツ光に基づいて、前記被測定物の伝搬特性を測定する測定部と、
参照信号を発生する参照信号源と、
前記参照信号源が発生した前記参照信号に基づいて、前記第１光信号および前記第２光信号の少なくとも１つを変調する変調部と、
前記第１光源が出力した前記第１光信号を分波する第１分波器と、
前記第２光源が出力した前記第２光信号を分波する第２分波器と、
前記第１分波器が分波した前記第１光信号の一方と、前記第２分波器が分波した前記第２光信号の一方とを合波する第１合波器と、
前記第１分波器が分波した前記第１光信号の他方と、前記第２分波器が分波した前記第２光信号の他方とを合波する第２合波器と
を備え、
前記測定部は、前記変調部が変調した前記第１光信号および前記第２光信号の少なくとも一方と、前記参照信号源が発生した前記参照信号とに基づいて、前記被測定物の伝搬特性を測定し、
前記テラヘルツ光出力部は、前記第１合波器が合波した前記第１光信号および前記第２光信号を用いて、前記テラヘルツ光を生成し、前記被測定物に放射し、
前記変調部は、前記第１分波器が分波した前記第１光信号の他方の周波数を変調し、
前記第２合波器は、前記変調部が周波数を変調した前記第１光信号の他方と、前記第２分波器が分波した前記第２光信号の他方とを合波し、
前記第１検出部は、前記第２合波器が合波した前記第１光信号の他方および前記第２光信号の他方を用いて、前記被測定物を透過した前記テラヘルツ光のヘテロダイン検波を行うことを特徴とする伝搬測定装置。
【請求項２】
前記第１光源および前記第２光源は、赤外光である前記第１光信号および前記第２光信号をそれぞれ出力することを特徴とする請求項１に記載の伝搬測定装置。
【請求項３】
前記第１分波器が分波した前記第１光信号の他方、および前記第２分波器が分波した前記第２光信号の他方の少なくとも一方を遅延させる遅延素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の伝搬測定装置。
【請求項４】
前記テラヘルツ光出力部が放射した前記テラヘルツ光を前記被測定物を介さずに検出し、前記第２合波器が合波した前記第１光信号の他方および前記第２光信号の他方を用いて、ヘテロダイン検波を行う第２検出部をさらに備え、
前記測定部は、前記第１検出部のヘテロダイン検波の検出結果と、前記第２検出部のヘテロダイン検波の検出結果とに基づいて、前記被測定物の伝搬特性を測定することを特徴とする請求項１に記載の伝搬測定装置。
【請求項５】
前記第１の周波数と前記第２の周波数との差は、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚであり、
前記テラヘルツ光出力部は、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚのテラヘルツ光を生成し、前記被測定物に放射することを特徴とする請求項１に記載の伝搬測定装置。
【請求項６】
前記第１光源または前記第２光源は、周波数を掃引して前記第１光信号または前記第２光信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の伝搬測定装置。
【請求項７】
前記第１光源および前記第２光源は、連続光である前記第１光信号および前記第２光信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の伝搬測定装置。
【請求項８】
被測定物の伝搬特性を測定する伝搬測定方法であって、
第１の周波数の第１光信号を出力する第１出力段階と、
第２の周波数の第２光信号を出力する第２出力段階と、
前記第１光信号および前記第２光信号を用いて、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の周波数のテラヘルツ光を生成し、前記被測定物に放射するテラヘルツ光出力段階と、
前記被測定物を透過した前記テラヘルツ光を検出する第１検出段階と、
前記第１検出段階において検出した前記テラヘルツ光に基づいて、前記被測定物の伝搬特性を測定する測定段階と、
参照信号を発生する参照信号発生段階と、
前記参照信号発生段階において前記参照信号に基づいて、前記第１光信号および前記第２光信号の少なくとも１つを変調する変調段階と、
前記第１出力段階において出力した前記第１光信号を分波する第１分波段階と、
前記第２出力段階において出力した前記第２光信号を分波する第２分波段階と、
前記第１分波段階において分波した前記第１光信号の一方と、前記第２分波段階において分波した前記第２光信号の一方とを合波する第１合波段階と、
前記第１分波段階において分波した前記第１光信号の他方と、前記第２分波段階において分波した前記第２光信号の他方とを合波する第２合波段階と
を備え、
前記測定段階は、前記変調段階において変調した前記第１光信号および前記第２光信号の少なくとも一方と、前記参照信号発生段階において発生した前記参照信号とに基づいて、前記被測定物の伝搬特性を測定する段階を含み、
前記テラヘルツ光出力段階は、前記第１合波段階において合波した前記第１光信号および前記第２光信号を用いて、前記テラヘルツ光を生成し、前記被測定物に放射する段階を含み、
前記変調段階は、前記第１分波段階において分波した前記第１光信号の他方の周波数を変調する段階を含み、
前記第２合波段階は、前記変調段階において周波数を変調した前記第１光信号の他方と、前記第２分波段階において分波した前記第２光信号の他方とを合波する段階を含み、
前記第１検出段階は、前記第２合波段階において合波した前記第１光信号の他方および前記第２光信号の他方を用いて、前記被測定物を透過した前記テラヘルツ光のヘテロダイン検波を行う段階を含むことを特徴とする伝搬測定方法。
【請求項９】
前記第１分波段階において分波した前記第１光信号の他方、および前記第２分波段階において分波した前記第２光信号の他方の少なくとも一方を遅延させる遅延段階をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の伝搬測定方法。
【請求項１０】
前記テラヘルツ光出力段階において放射した前記テラヘルツ光を前記被測定物を介さずに検出し、前記第２合波段階において合波した前記第１光信号の他方および前記第２光信号の他方を用いて、ヘテロダイン検波を行う第２検出段階をさらに備え、
前記測定段階は、前記第１検出段階のヘテロダイン検波の検出結果と、前記第２検出段階のヘテロダイン検波の検出結果とに基づいて、前記被測定物の伝搬特性を測定することを特徴とする請求項８に記載の伝搬測定方法。
【請求項１１】
前記第１の周波数と前記第２の周波数との差は、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚであり、
前記テラヘルツ光出力段階は、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚのテラヘルツ光を生成し、前記被測定物に放射する段階を含むことを特徴とする請求項８に記載の伝搬測定方法。
【請求項１２】
前記第１出力段階または前記第２出力段階は、周波数を掃引して前記第１光信号または前記第２光信号を出力する段階を含むことを特徴とする請求項８に記載の伝搬測定方法。
【請求項１３】
前記第１出力段階および前記第２出力段階は、連続光である前記第１光信号および前記第２光信号を出力する段階を含むことを特徴とする請求項８に記載の伝搬測定方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、伝搬測定装置及び伝搬測定方法に関する。また本出願は、下記の日本特許出願に関連する。文献の参照による組み込みが認められる指定国については、下記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願の記載の一部とする。
特願２００１−２００３７７      出願日  平成１３年７月２日
背景技術
近時、テラヘルツ光領域（１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ程度）の物質の伝搬特性を測定する技術が注目されている。
図９は、従来の伝搬測定装置２００の概略図を示す。伝搬測定装置２００は、フェムト秒光パルス、即ちパルス幅がフェムト秒オーダーの極めて短い光パルスを用いて、物質の伝搬特性を測定する。なお、このような技術は、例えば「情報通信研究の最前線  郵政省通信総合研究所のすぺて」（３章  周波数資源の開拓  １０  テラヘルツエレクトロニクス）電波新聞社や、阪井清美「光スイッチからテラヘルツ光発生」（０  ｐｌｕｓ  Ｅ、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．１、ｐｐ．４１〜５０）に記載されている。
伝搬測定装置２００では、パルスレーザ等から出力される例えば１００フェムト秒以下のフェムト秒光パルス１１０は、ビームスプリツタ１１２により分割される。ビームスプリッタ１１２により分割されたフェムト秒パルス１１０の一方は、トリガパルス１１４としてテラヘルツ電磁波送信器１１８に入力される。ビームスプリッタ１１２により分割されたフェムト秒パルス１１０の他方は、サンプリングパルス１１６としてテラヘルツ電磁波受信器１２２に入力される。サンプリングパルス１１６は、時間遅延手段１２０により適宜遅延される。
テラヘルツ電磁波送信器１１８は、低温成長ガリウム砒素より成る光伝導膜（図示せず）上に、アンテナを兼ねる平行伝送線路１２４を形成することにより構成される。低温成長ガリウム砒素より成る光伝導膜は、光応答速度が極めて速く、優れた性質を有する。
テラヘルツ電磁波送信器１１８に直流電圧１２６を印加した状態で、平行伝送線路１２４の間隙部に、例えば１００フェムト秒以下のトリガパルス１１４を入射すると、平行伝送線路１２４が瞬間的に短絡し、急峻な電流変化が生じる。これにより、１００ＧＨｚ〜数ＴＨｚ程度の周波数成分を含むテラヘルツパルスが、テラヘルツ電磁波送信器１１８のアンテナから送信される。
テラヘルツ電磁波送信器１１８から送信されるテラヘルツパルスは、軸外し放物面鏡１２８により収束され、試料１３０に入射される。試料１３０を透過したテラヘルツパルスは、軸外し放物面鏡１２８により収束され、テラヘルツ電磁波受信器１２２に入射される。
テラヘルツ電磁波受信器１２２としては、テラヘルツ電磁波送信器１１８と同様のデバイスが用いられる。テラヘルツ電磁波受信器１２２は、アンテナを兼ねる平行伝送線路１３２の間隙部に入射されるテラヘルツ電磁波を、サンプリングパルス１１６を用いてサンプリングする。テラヘルツ電磁波受信器１２２により得られた信号は、電流増幅器１３４により増幅される。
伝搬測定装置２００は、テラヘルツ電磁波送信器１１８から励起されるテラヘルツパルスの波形を、サンプリングパルス１１６の遅延時間を変化させつつ、テラヘルツ電磁波受信器１３２により検出する。伝搬測定装置２００では、テラヘルツパルスの波形が遅延時間の関数として検出される。このようにして検出されるテラヘルツパルスは、広帯域でコヒーレントであり、振幅や位相に関する情報が含まれているので、試料１３０の物理的性質を調べる上で有用である。また、試料１３０をＸ−Ｙ方向に移動しながら測定することにより、試料の物理的性質を可視化することも可能である。
また、近赤外光領域における被測定物の波長分散を測定し得る波長分散測定装置が提案されている。
図１０は、従来の波長分散測定装置３００の概略図を示す。なお、このような技術は、Ｓ．Ｒｙｕ，Ｙ．Ｈｏｒｉｕｃｈｉ，Ｋ．Ｍｏｃｈｉｚｕｋｉ，“Ｎｏｖｅｌ  ｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｖｅｒ  ｃｏｎｔｉｎｕｕｓ  Ｇｉｇａｈｅｒｔｚ  ｔｕｎｉｎｇ  ｒａｎｇｅ”，Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．８，ｐｐ．１７７〜１１８０，１９８９や、Ｍ．Ｆｕｊｉｓｅ，Ｍ．Ｋｕｗａｚｕｒｕ，Ｍ．Ｎｕｎｏｋａｗａ，ａｎｄ  Ｙ．Ｉｗａｍｏｔｏ，“Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｖｅｒ  ａ  １００−ｋｍ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｓｈｉｆｔｅｄ  ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ｆｉｂｒｅ  ｂｙ  ａ  ｎｅｗｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１１，ｐｐ．５７０〜５７２，１９８６に記載されている。
波長分散測定装置３００において、波長可変光源２１０から出力される近赤外光領域のレーザ光は、光強度変調器２１２に入力される。光強度変調器２１２は、参照用高周波信号源２１４から供給される周波数ｆＩＦの参照信号を用いて、波長可変光源２１０から出力されるレーザ光の強度を正弦波で変調する。
光強度変調器２１２により変調されたレーザ光は、被測定物２１６に入射される。被測定物２１６を透過したレーザ光は、光電変換器２１８により検出されて電気信号に変換され、増幅器２２０により増幅される。増幅器２２０により増幅された検出信号は、ネットワークアナライザ２２２の位相・振幅比較器２２４に入力される。
位相・振幅比較器２２４は、増幅器２２０により増幅された検出信号と、参照用高周波信号源２１４から供給される参照信号とを比較する。位相・振幅比較器２２４により比較された比較結果は、Ａ／Ｄ変換器２２６によりＡ／Ｄ変換される。そして、データ処理ブロック２２８により、以下のようにして群遅延時間が求められる。
波長可変光源２１０から出力されるレーザ光の波長をλｉとし、参照用高周波信号源２１４から供給される参照信号の周波数をｆＩＦとし、位相・振幅比較器２２４により求められる位相をφ（λｉ，ｆＩＦ）とすると、群遅延時間τ（λｉ）は以下のように表される。
τ（λｉ）＝φ（λｉ，ｆＩＦ）／（２πｆＩＦ）
従って、波長可変光源２１０から出力されるレーザ光の波長λｉを連続的に変化させながら、上記のようにして測定を行うことによって、各波長毎に群遅延時間τ（λｉ）を求められる。また、波長分散Ｄ（λｉ）は、群遅延時間τ（λｉ）を波長で微分したものであり、以下のように表される。
Ｄ（λｉ）＝Δτ（λｉ）／Δλｉ
ここで、
Δτ（λｉ）＝τ（λｉ＋１）−τ（λｉ）
Δλｉ＝λｉ＋１−λｉ
である。なお、このようにして群遅延時間τ（λｉ）を求める方法は、位相シフト法と称されている。
波長分散測定装置３００では、高周波の位相解析技術を用いて群遅延時間τ（λｉ）を測定することができるので、高精度な波長分散測定を行うことができる。
また、ヘテロダイン検波により被測定物の断層像を画像化し得る光断層像画像化装置が提案されている。
図１１は、従来の光断層像画像化装置４００の概略図を示す。なお、このような技術は、特開平２−１５０７４７号公報や、特開２０００−１２１５５０号公報に記載されている。
光断層像画像化装置４００において、レーザ装置３１０から出力されるレーザ光は、レンズ３１２、レンズ３１４により収束され、ビームスプリッタ３１６により分割される。
ビームスプリツタ３１６により分割されたレーザ光の一方は、被測定物３１８に照射される。被測定物３１８を透過したレーザ光は、ミラー３２０により反射され、ビームスプリツタ３２２に入射される。
ビームスプリツタ３１６により分割されたレーザ光の他方は、ミラー３２４により反射され、光周波数変換器３２６に入力される。光周波数変換器３２６は、参照用高周波信号源３２８から供給される参照信号を用いてレーザ光の周波数を変換する。光周波数変換器３２６により周波数が変換されたレーザ光は、ビームスプリッタ３２２に入射される。
ビームスプリッタ３２２では、被測定物３１８を透過したレーザ光と、光周波数変換器３２６により周波数が変換されたレーザ光とが合併される。ビームスプリッタ３２２により合併されたレーザ光は、光検出器３２４に入射される。
光検出器３２４は、ヘテロダイン検波により光の検出を行う。ヘテロダイン検波には、指向性があるため、被測定物３１８を透過したレーザ光のうちの直進成分のみが検出される。
光検出器３２４により検出された光は、復調器３２６により復調され、コンピュータ３２９により分析される。コンピュータ３２９により分析された結果は、断層像として画像表示装置３３０により表示される。
光断層像画像化装置４００の原理を以下に示す。
被測定物３１８に入射される光の電界をｅ１（ｔ）とし、光周波数変換器３２６から出力される光の電界をｅ２（ｔ）とすると、
ｅ１（ｔ）＝Ａ１ｃｏｓωｃｔ
ｅ２（ｔ）＝Ａ２ｃｏｓ｛（ωｃ＋ｐ）ｔ＋θ２｝
で表される。
ここで、Ａ１、Ａ２は電界強度であり、ｐは光の角周波数のシフト量であり、θ２は一定位相であり、ωｃは光の各周波数である。
また、被測定物３１８の伝達関数Ｙ（ωｃ）は、
Ｙ（ωｃ）＝Ｙ０ｅｘｐ（ｊφ０）
で表されるとすると、
光検出器３２４に入射される電界ｅｄは、
ｅｄ＝Ｙ（ωｃ）Ａ１ｃｏｓωｃｔ＋Ａ２ｃｏｓ｛（ωｃ＋ｐ）ｔ＋θ２｝
光検出器３２４の出力電流ｉｄは、
ｉｄ＝α｛Ｙ０２Ａ１２＋Ａ２２＋２Ｙ０Ａ１Ａ２ｃｏｓ（ｐｔ＋θ２−φ０）｝
で表される。
ここで、αは比例係数であり、φ０は位相であり、ωｃはレーザ光の周波数である。また、位相φ０、光周波数ωｃ、群遅延時間τ（ωｃ）との間には、以下のような関係がある。
τ（ωｃ）＝φ０／ωｃ
光断層像画像化装置４００によれば、以上のような原理により、被測定物の断層像を画像化することができる。
しかしながら、図９に示した伝搬測定装置２００では、単にフェムト秒光パルスを用いて試料１３０の伝搬特性を測定するので、テラヘルツ光領域における試料１３０の伝搬特性の周波数依存性を詳細に測定することはできなかった。また、図９に示した伝搬測定装置２００は、フェムト秒パルス１１０を発生する光源が大がかりなものであり、パルス幅や光強度等の安定性も乏しかった。また、サンプリングパルス１１６の遅延時間を徐々に変化させながら、試料１３０の伝搬特性を測定するので、測定に長時間を要していた。また、空間光を用いるので、装置が大がかりになってしまい、複雑で、安定性が乏しかった。また、時間遅延手段１２０は、可動ステージを用いて遅延時間を変化させるので、可動ステージの機械的な精度の影響を受け、必ずしも高精度で測定することができなかった。
また、図１０に示した波長分散測定装置３００の技術をテラヘルツ光領域に応用した場合には、光強度変調器２１２としてテラヘルツ光領域の広帯域なものを用いることが必要となる。しかし、テラヘルツ光領域の広帯域な光強度変調器は、広く普及しているものではないため、入手が極めて困難であり、高価となってしまう。
また、図１０に示した波長分散測定装置３００の技術をテラヘルツ光領城に応用した場合には、波長可変光源２１０から出力されるテラヘルツ光は、光強度変調器２１２及び被測定物２１６を経由して、光電変換器２１８に入力される。テラヘルツ光領域におけるロスの少ない伝送技術は未だ開発されていないので、波長可変光源２１０から出力されるテラヘルツ光の強度を、伝送ロスの分だけ大きくしなければならない。そのためには、波長可変光源２１０として大出力のものを用いなければならず、装置の小型化における阻害要因となってしまう。
また、図１１に示した光断層像画像化装置４００の技術をテラヘルツ光領域に応用した場合には、光周波数変換器３２６としてテラヘルツ光領域の広帯域なものを用いることが必要となる。しかし、テラヘルツ光領域の広帯域な光周波数変換器は、広く普及しているものではないため、入手が極めて困難であり、高価となってしまう。
また、図１１に示した光断層像画像化装置４００の技術をテラヘルツ光領域に応用した場合には、レーザ装置３１０から出力されるテラヘルツ光は、レンズ３１２、３１４、ビームスプリツタ３１６、３２２、被測定物３１８、光周波数変換器３２６、ミラー３２０、３２４等を経由して、光電変換器３２４に入力される。テラヘルツ光領域におけるロスの少ない伝送技術は未だ開発されていないので、レーザ装置３１０から出力されるテラヘルツ光の強度を、伝送ロスの分だけ大きくしなければならない。そのためには、レーザ装置３１０として大出力のものを用いなければならず、装置の小型化における阻害要因となってしまう。
また、図１１に示した光断層像画像化装置４００の技術をテラヘルツ光領域に応用した場合には、テラヘルツ光の経路が、被測定物３１８側と光周波数変換器３２６側の両方にあるため、光軸調整が煩雑である。
また、図１１に示した光断層像画像化装置４００の技術は、位相比較を行うものではなく、単に振幅を測定するものであるので、被測定物３１８の伝搬遅延時間を測定することはできず、透過減衰量等の振幅情報しか測定することができない。
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる伝搬測定装置及び伝搬測定方法を提供することを目的とする。この目的は請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
発明の開示
このような目的を達成するために、本発明の第１の形態によれば、被測定物の伝搬特性を測定する伝搬測定装置であって、第１の周波数の第１光信号を出力する第１光源と、第２の周波数の第２光信号を出力する第２光源と、第１光信号及び第２光信号を用いて、第１の周波数と第２の周波数との差の周波数のテラヘルツ光を生成し、被測定物に放射するテラヘルツ光出力部と、被測定物を透過したテラヘルツ光を検出する第１検出部と、第１検出部が検出したテラヘルツ光に基づいて、被測定物の伝搬特性を測定する測定部とを備える。
第１光源及び第２光源は、赤外光である第１光信号及び第２光信号をそれぞれ出力してもよい。
参照信号を発生する参照信号源と、参照信号源が発生した参照信号に基づいて、第１光信号及び第２光信号の少なくとも１つを変調する変調部とをさらに備え、測定部は、変調部が変調した第１光信号及び第２光信号の少なくとも一方と、参照信号源が発生した参照信号とに基づいて、被測定物の伝搬特性を測定してもよい。
変調部は、第１光源が出力した第１光信号の強度を変調し、テラヘルツ光出力部は、変調部が強度を変調した第１光信号、及び第２光源が出力する第２光信号を用いて、テラヘルツ光を生成し、被測定物に放射してもよい。
第１光源が発生した第１光信号と、第２光源が発生した第２光信号とを合波する第１合波器をさらに備え、変調部は、第１合波器が合波した第１光信号及び第２光信号の強度を変調し、テラヘルツ光出力部は、変調部が強度を変調した第１光信号及び第２光信号を用いて、テラヘルツ光を生成し、被測定物に放射してもよい。
テラヘルツ光出力部が放射したテラヘルツ光を被測定物を介さずに検出する第２検出部をさらに備え、測定部は、第１検出部が検出したテラヘルツ光と、第２検出部が検出したテラヘルツ光とに基づいて、被測定物の伝搬特性を測定してもよい。
第１光源が出力した第１光信号を分波する第１分波器と、第２光源が出力した第２光信号を分波する第２分波器と、第１分波器が分波した第１光信号の一方と、第２分波器が分波した第２光信号の一方とを合波する第１合波器と、第１分波器が分波した第１光信号の他方と、第２分波器が分波した第２光信号の他方とを合波する第２合波器とをさらに備え、テラヘルツ光出力部は、第１合波器が合波した第１光信号及び第２光信号を用いて、テラヘルツ光を生成し、被測定物に放射し、変調部は、第１分波器が分波した第１光信号の他方の周波数を変調し、第２合波器は、変調部が周波数を変調した第１光信号の他方と、第２分波器が分波した第２光信号の他方とを合波し、第１検出部は、第２合波器が合波した第１光信号の他方及び第２光信号の他方を用いて、被測定物を透過したテラヘルツ光のヘテロダイン検波を行ってもよい。
第１分波器が分波した第１光信号の他方、及び第２分波器が分波した第２光信号の他方の少なくとも一方を遅延させる遅延素子をさらに備えてもよい。
テラヘルツ光出力部が放射したテラヘルツ光を被測定物を介さずに検出し、第２合波器が合波した第１光信号の他方及び第２光信号の他方を用いて、ヘテロダイン検波を行う第２検出部をさらに備え、測定部は、第１検出部のヘテロダイン検波の検出結果と、第２検出部のヘテロダイン検波の検出結果とに基づいて、被測定物の伝搬特性を測定してもよい。
変調部は、光強度変調器、周波数変換器、又は音響光学変調器であってもよい。
第１の周波数と第２の周波数との差は、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚであり、テラヘルツ光出力部は、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚのテラヘルツ光を生成し、被測定物に放射してもよい。
第１光源又は第２光源は、周波数を掃引して第１光信号又は第２光信号を出力してもよい。
第１光源及び第２光源は、連続光である第１光信号及び第２光信号を出力してもよい。
本発明の第２の形態によれば、被測定物の伝搬特性を測定する伝搬測定方法であって、第１の周波数の第１光信号を出力する第１出力段階と、第２の周波数の第２光信号を出力する第２出力段階と、第１光信号及び第２光信号を用いて、第１の周波数と第２の周波数との差の周波数のテラヘルツ光を生成し、被測定物に放射するテラヘルツ光出力段階と、被測定物を透過したテラヘルツ光を検出する第１検出段階と、第１検出段階において検出したテラヘルツ光に基づいて、被測定物の伝搬特性を測定する測定段階とを備える。
参照信号を発生する参照信号発生段階と、参照信号発生段階において発生した参照信号に基づいて、第１光信号及び第２光信号の少なくとも１つを変調する変調段階とをさらに備え、測定段階は、変調段階において変調した第１光信号及び第２光信号の少なくとも一方と、参照信号段階において発生した参照信号とに基づいて、被測定物の伝搬特性を測定する段階を含んでもよい。
テラヘルツ光出力段階において放射したテラヘルツ光を被測定物を介さずに検出する第２検出段階をさらに備え、測定段階は、第１検出段階において検出したテラヘルツ光と、第２検出段階において検出したテラヘルツ光とに基づいて、被測定物の伝搬特性を測定する段階を含んでもよい。
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
発明を実施するための最良の形態
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態はクレームにかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の一例を示す。本実施形態に係る伝搬測定装置１００は、変調されたテラヘルツ光を被測定物１０に放射する変調テラヘルツ光源１２と、被測定物１０を透過したテラヘルツ光を検出する第１検出部の一例であるテラヘルツ光検出素子１４と、テラヘルツ光検出素子１４により得られた検出信号を増幅する増幅器１６と、変調テラヘルツ光源１２とネットワークアナライザ１８とに参照信号を供給する参照信号源の一例である参照用高周波信号源２０と、参照信号を用いて増幅器１６により増幅された検出信号を分析し、被測定物１０の伝搬特性を測定する測定部の一例であるネットワークアナライザ１８とを備える。
被測定物１０を透過したテラヘルツ光には、被測定物１０を透過する際に生じる減衰や遅延等の伝搬特性の情報が含まれている。従って、被測定物１０を透過したテラヘルツ光を検出して分析することにより、被測定物１０における減衰量や伝搬遅延等の伝搬特性を測定することができる。
以下、本実施形態による伝搬測定装置１００の各構成部分について個々に詳述する。
（ａ）変調テラヘルツ光源１２
変調テラヘルツ光源１２は、周波数ｆ１の赤外光を出力する第１光源の一例である掃引型赤外光源２２と、周波数ｆ２の赤外光を出力する第２光源の一例である赤外光源２４と、参照用高周波信号源２０が発生した周波数ｆＩＦの参照信号を用いて、赤外光源２４が出力した周波数ｆ２の赤外光の強度を変調する変調部の一例である光強度変調器２６と、掃引型赤外光源２２が出力した赤外光と光強度変調器２６が出力した赤外光とを合波する合波器２８と、合波器２８が合波した赤外光を用いて、変調されたテラヘルツ光を生成し、被測定物１０に放射するテラヘルツ光出力部の一例である赤外光／テラヘルツ光変換素子３０とを有する。なお、テラヘルツ光とは、テラヘルツ光領域の光、即ち１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ程度の光のことをいう。
掃引型赤外光源２２は、周波数ｆ１の連続光（連続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ））を出力する。また、掃引型赤外光源２２は、周波数ｆ１を掃引して赤外光を出力する。掃引型赤外光源２２が掃引する周波数ｆ１の範囲は、例えば１９０ＴＨｚ〜２００ＴＨｚであることが好ましい。掃引型赤外光源２２は、出力した赤外光を合波器２８に供給する。
赤外光源２４は、周波数ｆ２の連続光（連続波）を出力する。赤外光源２４が出力する赤外光の周波数ｆ２は、掃引型赤外光源２２が出力する赤外光の周波数ｆ１との差（ｆ１−ｆ２又はｆ２−ｆ１）が、テラヘルツ領域（１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ程度）となるように設定される。赤外光源２４から出力される赤外光の周波数ｆ２は、例えば１８９．９ＴＨｚであることが好ましい。赤外光源２４は、出力した赤外光を光強度変調器２６に供給する。
光強度変調器２６は、参照用高周波信号源２０が発生した周波数ｆＩＦの参照信号を用いて、赤外光源２４が出力した周波数ｆ３の赤外光の強度を変調する。光強度変調器２６としては、例えば１９０ＴＨｚ±５ＴＨｚの赤外光領域の光強度変調器を用いることができる。このような狭帯域の赤外光領域の光強度変調器２６は、広く普及されているので入手が容易である。そのため、容易に入手し得る赤外光領域の光強度変調器２６を用いて、変調テラヘルツ光源１２を安価に構成することができる。
光強度変調器２６は、光強度変調器２６が参照信号を用いて強度を変調した周波数ｆ２±ｆＩＦの赤外光と、変調されていない周波数ｆ２の赤外光とを出力し、合波器２８に供給する。
合波器２８は、掃引型赤外光源２２が出力した赤外光と、光強度変調器２６が出力した赤外光とを、偏波方向が互いに一致するように合波する。そして、合波器２８は、周波数ｆ１の赤外光と、周波数ｆ２の赤外光と、周波数ｆ２±ｆＩＦの赤外光とが混合されたものを出力し、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０に供給する。
赤外光／テラヘルツ光変換素子３０は、合波器２８が出力した赤外光を用いて、変調されたテラヘルツ光を生成し、アンテナ（図示せず）を介して被測定物１０に放射する。赤外光／テラヘルツ光変換素子３０は、例えば低温成長ガリウム砒素より成る光伝導膜（図示せず）上に、アンテナを兼ねる平行伝送線路（図示せず）を形成することにより構成される。低温成長ガリウム砒素より成る光伝導膜は、光応答速度が極めて速く、優れた性質を有している。平行伝送線路には、直流電圧が適宜印加されるようになっている。このような赤外光／テラヘルツ光変換素子３０は、赤外光を高効率でテラヘルツ光に変換することができる。
赤外光／テラヘルツ光変換素子３０は、合波器２８から周波数ｆ１の赤外光と、周波数ｆ２の赤外光と、周波数ｆ２±ｆＩＦの赤外光とが混合されたものが供給されると、赤外光／テラヘルツ光変換を行う。そして、赤外光／テラヘルツ変換素子３０は、供給された複数の赤外光の周波数の差の周波数のテラヘルツ光、即ち周波数ｆ２−ｆ１のテラヘルツ光と、周波数（ｆ２−ｆ１）±ｆＩＦのテラヘルツ光とを生成し、被測定物１０に放射する。ここでは、ｆ２＞ｆ１とする。赤外光／テラヘルツ変換素子３０は、例えば１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚのテラヘルツ光を生成し、被測定物１０に放射する。
赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が出力するテラヘルツ光は、周波数ｆ２−ｆ１のテラヘルツ光を、周波数ｆＩＦの参照信号で変調したものと同等である。即ち、本実施形態の変調テラヘルツ光源１２によれば、テラヘルツ光領域の広帯域の光強度変調器を用いることなく、赤外光領域の光強度変調器２６を用いて、変調されたテラヘルツ光を生成することができる。
また、掃引型赤外光源２２が出力する赤外光の周波数ｆ１を掃引することにより、ｆ２−ｆ１の値が変化する。従って、掃引型赤外光源２２が出力する赤外光の周波数ｆ１を掃引することにより、変調テラヘルツ光源１２が出力するテラヘルツ光の周波数ｆ２−ｆ１、（ｆ２−ｆ１）±ｆＩＦを適宜変化させることができる。
（ｂ）テラヘルツ光検出素子１４
テラヘルツ光検出素子１４は、被測定物１０を透過したテラヘルツ光をアンテナ（図示せず）を介して検出する。テラヘルツ光検出素子１４としては、例えば赤外光／テラヘルツ光変換素子３０と同様のデバイスを用いることができる。
テラヘルツ光検出素子１４は、変調テラヘルツ光源１２が放射し、被測定物１０を透過する際に減衰や遅延等が生じた周波数ｆ２−ｆ１のテラヘルツ光と周波数（ｆ２−ｆ１）±ｆＩＦのテラヘルツ光とを検出する。そして、テラヘルツ光検出素子１４は、被測定物１０の伝搬特性の情報を含む検出信号を電気信号として出力し、増幅器１６に供給する。
（ｃ）増幅器１６
増幅器１６は、テラヘルツ光検出素子１４が出力した検出信号を、適宜増幅する。そして、増幅器１６は、増幅した検出信号をネットワークアナライザ１８の位相・振幅比較器３２に供給する。
（ｄ）ネットワークアナライザ１８
ネットワークアナライザ１８は、参照用高周波信号源２０が発生する参照信号を用いて、増幅器１６が増幅した検出信号の位相や振幅を求める位相・振幅比較器３２と、位相・振幅比較器３２が得たアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３４と、Ａ／Ｄ変換器３４が変換したデジタル信号に基づいて、被測定物１０の伝搬特性を算出するデータ処理ブロック３６とを有する。
位相・振幅比較器３２は、参照用高周波信号源２０が発生する参照信号を用いて、増幅器１６が増幅した検出信号の位相や振幅を求める。位相・振幅比較器３２は、比較結果をアナログ信号として出力し、Ａ／Ｄ変換器３４に供給する。
Ａ／Ｄ変換器３４は、位相・振幅比較器３２が出力したアナログ信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器３４は、デジタル信号に変換した比較結果をデータ処理ブロック３６に供給する。
データ処理ブロック３６は、位相・振幅比較器３２が得た比較結果を用いて、被測定物１０の伝搬特性、例えば透過減衰量や伝搬遅延等を算出する。
（ｅ）参照用高周波信号源２０
参照用高周波信音源２０は、変調テラヘルツ光源１２が有する光強度変調器２６と、ネットワークアナライザ１８の位相・振幅比較器３２とに、周波数ｆＩＦの電気信号である参照信号を供給する。光強度変調器２６は、上述したように、赤外光源２４から出力される赤外光を変調する際に、参照用高周波信号源２０が発生した参照信号を用いる。位相・振幅比較器３２は、上述したように、増幅器１６が増幅した検出信号の位相や振幅を比較する際の基準信号として、参照用高周波信号源２０が発生した参照信号を用いる。
参照用高周波信号源２０から光強度変調器２６及び位相・振幅比較器３２に供給される参照信号の周波数ｆＩＦは、赤外光源２４から出力される赤外光の周波数ｆ２に比べて十分に低く設定される。参照信号の周波数ｆＩＦは、例えば１ＧＨｚである。
本実施形態の伝搬測定装置１００は、２つの赤外光源、即ち掃引型赤外光源２２及び赤外光源２４を備え、赤外光源２４が出力した赤外光に対して光強度変調器２６が変調を行い、これにより得られた２つの赤外光を用いて、変調されたテラヘルツ光を生成することに特徴がある。
図９に示した伝搬測定装置２００では、フェムト秒光パルス、即ち短パルス光を用いてテラヘルツ光を生成していたので、線幅が広くなってしまっていた。このため、測定精度が低く、分解能も低くなってしまっていた。
これに対し、本実施形態の伝搬測定装置１００では、線幅の狭い連続波の赤外光を用いてテラヘルツ光を生成するため、線幅の狭いテラヘルツ光を生成することができる。従って、高精度、高分解能で伝搬特性を測定することができる。
また、図９に示した伝搬測定装置２００では、時間遅延手段１２０を用いてサンプリングパルス１１６の遅延時間を徐々に変化させることにより測定を行うので、測定に長時間を要していた。
これに対し、本実施形態の伝搬測定装置１００では、掃引型赤外光源２２が出力する赤外光の周波数を適宜掃引することにより、変調テラヘルツ光源１２が出力するテラヘルツ光の周波数を変化させて、伝搬測定を行うことができる。従って、被測定物１０の伝搬特性の周波数依存性を迅速かつ高精度に測定することができる。
図１０に示した波長分散測定装置３００の技術を単にテラヘルツ光領域に応用した場合には、光強度変調器２１２としてテラヘルツ光領域の広帯域なものを用いることが必要となる。このようにテラヘルツ光領域の広帯域な光強度変調器は、広く普及しているものではないので、入手が極めて困難であり、高価になってしまう。
これに対し、本実施形態の伝搬測定装置１００では、２つの赤外光源、即ち掃引型赤外光源２２と赤外光源２４とを備え、赤外光源２４が出力した赤外光に対して光強度変調器２６が変調を行い、これにより得られた２つの赤外光を用いて、変調されたテラヘルツ光を生成することができる。そのため、テラヘルツ光領域の広帯域な光強度変調器を用いることなく、広く普及されている入手が容易な狭帯域の赤外光領域の光強度変調器２６を用いて、変調テラヘルツ光源１２を構成することができる。従って、テラヘルツ光領域の伝搬測定装置１００を安価に提供することができる。
また、図１０に示した波長分散測定装置３００の技術を単にテラヘルツ光領域に応用した場合には、波長可変光源２１０が出力したテラヘルツ光は、光強度変調器２１２及び被測定物２１６を経由して、光電変換器２１８に入力される。テラヘルツ光領域におけるロスの少ない伝送技術は未だ開発されていないので、波長可変光源２１０が出力するテラヘルツ光の強度を、伝送ロスの分だけ大きくしなければならない。そのためには、波長可変光源２１０として大出力のものを用いなけれはならず、装置の小型化における阻害要因となってしまう。
これに対し、本実施形態の伝搬測定装置１００では、テラヘルツ光が伝搬する経路が、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０からテラヘルツ光検出素子１４までの極めて短い経路であるので、伝送におけるロスは小さい。従って、大型の光源を用いることなく、変調テラヘルツ光源１２を構成することができ、伝搬測定装置の小型化に寄与することができる。
以上のように、本実施形態の伝搬測定装置１００によれば、テラヘルツ光領域における被測定物１０の伝搬特性を高精度且つ迅速に測定できる。さらに本実施形態の伝搬測定装置１００を簡便な構成で且つ安価に提供することができる。
本実施形態においては、赤外光を用いてテラヘルツ光を生成する場合について説明したが、赤外光以外の光信号を用いてもよい。即ち、変調テラヘルツ光源１２は、掃引型赤外光源２２及び赤外光源２４に換えて、赤外光以外の光信号を出力する光源を有してもよく、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０に換えて、赤外光以外の光信号をテラヘルツ光に変換する変換素子を有してもよい。
図２は、第１実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の第１変形例を示す。
図１に示した伝搬測定装置１００は、赤外光源２４と合波器２８との間に光強度変調器２６を備える設けられるが、本変形例に係る伝搬測定装置１００は、掃引型赤外光源２２と合波器２８との間に光強度変調器２６を備える。
このように掃引型赤外光源２２と合波器２８との間に光強度変調器２６を設ける場合であっても、変調されたテラヘルツ光を出力し得る変調テラヘルツ光源１２ａを構成することができる。従って、本変形例によっても、テラヘルツ光領域における被測定物の伝搬特性を高精度且つ迅速に測定し得る簡便な構成の伝搬測定装置１００を安価に提供することができる。
図３は、第１実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の第２変形例を示す。
図１に示した伝搬測定装置１００は、赤外光源２４と合波器２８との間に光強度変調器２６を備えるが、本変形例に係る伝搬測定装置１００は、合波器２８と赤外光／テラヘルツ光変換素子３０との間に光強度変調器２６を備える。光強度変調器２６は、合波器２８が合波した２つの赤外光の強度を変調する。そして、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０は、光強度変調器２６が強度を変調した２つの赤外光を用いてテラヘルツ光を生成する。
このように合波器２８と赤外光／テラヘルツ光変換素子３０との間に光強度変調器２６を設ける場合であっても、変調されたテラヘルツ光を出力し得る変調テラヘルツ光源１２ｂを構成することができる。従って、本変形例によっても、テラヘルツ光領域における被測定物の伝搬特性を、高精度且つ迅速に測定し得る簡便な構成の伝搬測定装置１００を安価に提供することができる。
［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の一例を示す。第２実施形態においては、第１実施形態に係る伝搬測定装置１００と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。
本実施形態に係る伝搬測定装置１００は、第１実施形態に係る伝搬測定装置１００に加えて、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が放射したテラヘルツ光を分波する分波器３８と、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が放射したテラヘルツ光を被測定物１０を介さずに検出する第２検出部の一例であるテラヘルツ光検出素子１４ａとをさらに備える。テラヘルツ光検出素子１４ａには、テラヘルツ光検出素子１４と同様のデバイスを用いる。
テラヘルツ光検出素子１４は、分波器３８が分波したテラヘルツ光の一方を被測定物１０を介して検出して、検出信号を増幅器１６に供給する。そして、増幅器１６は、テラヘルツ光検出素子１４により得られた検出信号を増幅して、ネットワークアナライザ１８の位相・振幅比較器３２に供給する。
テラヘルツ光検出素子１４ａは、分波器３８が分波したテラヘルツ光の他方を被測定物１０を介さずに検出して、検出信号をネットワークアナライザ１８の位相・振幅比較器３２に供給する。
位相・振幅比較器３２は、テラヘルツ光検出素子１４ａが検出したテラヘルツ光に基づく検出信号を参照信号として、テラヘルツ光検出素子１４が検出したテラヘルツ光に基づく検出信号の位相や振幅を求める。
第１実施形態の伝搬測定装置１００では、位相・振幅比較器３２は、参照用高周波信号源２０が発生する信号を参照信号として用いるので、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が出力するテラヘルツ光の強度が変動すると、位相・振幅比較器３２における比較の基準となる参照信号の大きさに対して、検出信号の大きさが変動してしまう。そのため、第１実施形態の伝搬測定装置１００では、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が出力するテラヘルツ光の強度が変動した場合には、位相・振幅比較器３２による比較結果に誤差が生じてしまう場合がある。
これに対し、本実施形態の伝搬測定装置１００では、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が出力するテラヘルツ光を用いて参照信号を生成するので、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が出力するテラヘルツ光の強度が変動した場合には、位相・振幅比較器３２に供給される検出信号の大きさと参照信号の大きさとが同様に変動する。従って、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が出力するテラヘルツ光の強度の変動の影響を受けることなく、高精度に被測定物１０の伝搬特性を測定することができる。
［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の一例を示す。第３実施形態においては、第１実施形態又は第２実施形態に係る伝搬測定装置１００と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。
本実施形態に係る伝搬測定装置１００は、テラヘルツ光を被測定物１０に放射するテラヘルツ光源１２ｃと、赤外光源２４から分波器４０を介してテラヘルツ光源１２ｃの外部に出力される赤外光の周波数を、参照用高周波信号源２０が発生する参照信号を用いて変換する変調部の一例である光周波数変換器４４と、掃引型赤外光源２２から分波器４２を介してテラヘルツ光源１２ｅの外部に出力される赤外光と周波数変換器４４が周波数を変換した赤外光とを合波する合波器４６と、合波器４６が合波した赤外光を用いて、被測定物１０を透過したテラヘルツ光のヘテロダイン検波を行う第１検出部の一例であるテラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂと、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂが検出した検出信号を増幅する増幅器１６と、増幅器１６が増幅した検出信号を分析し、被測定物１０の伝搬特性を測定する測定部の一例であるネットワークアナライザ１８と、光周波数変換器４４とネットワークアナライザ１８とに参照信号を供給する参照信号源の一例である参照用高周波信号源２０とを備える。
以下、本実施形態による伝搬測定装置１００の各構成部分について個々に詳述する。
（ａ）テラヘルツ光源１２ｃ
テラヘルツ光源１２ｃは、周波数ｆ１の赤外光を出力する第１光源の一例である掃引型赤外光源２２と、掃引型赤外光源２２が出力する赤外光を分波する分波器４２と、周波数ｆ２の赤外光を出力する第２光源の一例である赤外光源２４と、赤外光源２４が出力する赤外光を分波する分波器４０と、分波器４２が分波した赤外光の一方と分波器４０が分波した赤外光の一方とを合波する合波器２８と、合波器２８が合波した赤外光を用いて、テラヘルツ光を生成し、被測定物１０に放射するテラヘルツ光出力部の一例である赤外光／テラヘルツ光変換素子３０と有する。
赤外光／テラヘルツ光変換素子３０は、掃引型赤外光源２２が出力する周波数ｆ１の赤外光と、赤外光源２４が出力する周波数ｆ２の赤外光とを用いて、周波数ｆ２−ｆ１のテラヘルツ光を生成し、被測定物１０に放射する。
テラヘルツ光源１２ｃは、掃引型赤外光源２２が出力して分波器４２が分波した周波数ｆ１の赤外光の他方を外部に出力する。掃引型赤外光源２２から分波器４２を介してテラヘルツ光源１２ｃの外部に出力される赤外光は、合波器４６に供給される。
テラヘルツ光源１２ｃは、赤外光源２４が出力して分波器４０が分波した周波数ｆ２の赤外光の他方を外部に出力する。赤外光源２４から分波器４０を介してテラヘルツ光源１２ｃの外部に出力される赤外光は、光周波数変換器４４に供給される。
（ｂ）光周波数変換器４４
光周波数変換器４４は、赤外光源２４が出力して分波器４０が分波した赤外光の他方の周波数を、参照用高周波信号源２０が発生する参照信号を用いて変換する。光周波数変換器４４は、参照用高周波信号源２０が発生する参照信号を用いて周波数変換を行い、周波数ｆ２＋ｆＩＦ又はｆ２−ｆＩＦの赤外光を出力し、合波器４６に供給する。
（ｃ）合波器４６
合波器４６は、掃引型赤外光源２２が出力し分波器４２が分波した赤外光の他方と、光周波数変換器４４が周波数を変換した赤外光とを合波し、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂに供給する。
（ｄ）テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂ
テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂは、合波器４６が合波した赤外光を用いて、被測定物１０を透過したテラヘルツ光のヘテロダイン検波を行う。テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂには、被測定物１０を透過した周波数ｆ２−ｆ１のテラヘルツ光と、合波器４６が出力する周波数ｆ１の赤外光及び周波数ｆ２＋ｆＩＦ又はｆ２−ｆＩＦの赤外光とが入力される。
テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂに入力されるｆ２−ｆ１のテラヘルツ光と、周波数ｆ１の赤外光と、周波数ｆ２＋ｆＩＦの赤外光とによるビート周波数は、
（ｆ２−ｆ１）＋（ｆ２＋ｆＩＦ）−ｆ１＝ｆＩＦ
となる。
テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂは、電子がビート周波数ｆＩＦに追随してヘテロダイン検波を行う。即ち、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂは、周波数ｆ２−ｆ１のテラヘルツ光と、周波数ｆ１の赤外光と、周波数ｆ２＋ｆＩＦの赤外光とを入力信号とし、周波数ｆＩＦの検出信号を出力信号とするヘテロダイン検波を行う。
合波器４６が合波してテラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂに供給される周波数ｆ１の赤外光及び周波数ｆ２＋ｆＩＦの赤外光の強度は、被測定物１０を透過してテラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂにより検出される周波数ｆ２−ｆ１のテラヘルツ光の強度に比べて十分に強い。このため、テラヘルツ光の強度に比べて十分に強い強度の赤外光を用いて、ヘテロダイン検波を行うことができ、ショットノイズ限界程度の微小なテラヘルツ光を検出することができる。
以上のように、本実施形態の伝搬測定装置１００によれば、テラヘルツ光のヘテロダイン検波を行うことができるので、被測定物１０の伝搬特性をより高感度に測定することができる。
本実施形態において、伝搬測定装置１００は、分波器４０と合波器４６との間に光周波数変換器４４を備えるが、光周波数変換器４４を設ける箇所は分波器４０と合波器４６との間に限定されるものではなく、例えば分波器４２と合波器４６との間、分波器４２と合波器２８との間、又は分波器４０と合波器２８との間に備えてもよい。
図６は、第３実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の第１変形例を示す。
本変形例に係る伝搬測定装置１００は、図５に示した伝搬測定装置１００が備える分波器４０及び光周波数変換器４４に換えて、ＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ、音響光学変調器）４８を備える。ＡＯＭ４８は、音響光学回折を用いた光学変調器である。
ＡＯＭ４８は、赤外光源が出力する赤外光の周波数ｆ２を変換する。ＡＯＭ４８は、赤外光源２４から供給される赤外光を、周波数を変換することなく０次側から出力し、合波器２８に供給する。ＡＯＭ４８は、赤外光源２４から供給される赤外光の周波数を変換して１次側から出力し、合波器４６に供給する。
図５に示した伝搬測定装置１００では、赤外光源２４が出力する赤外光を分波器４０が分波し、分波器４０が分波した赤外光を光周波数変換器４４が周波数変換するので、構成要素の数が多くなる。
これに対し、本変形例の伝搬測定装置１００によれば、分波機能と周波数変換機能とを有するＡＯＭ４８を備えるので、構成要素の数を少なくすることができる。従って、伝搬測定装置１００の構成を簡略化することができ、ひいては、小型化、低価格化に寄与することができる。
また、本変形例の伝搬測定装置１００では、ＡＯＭ４８の０次側を合波器２８に接続し、ＡＯＭ４８の１次側を合波器４６に接続したが、ＡＯＭ４８の０次側を合波器４６に接続し、ＡＯＭ４８の１次側を合波器２８に接続してもよい。また、本変形例の伝搬測定装置１００は、赤外光源２４と合波器２８との間にＡＯＭ４８を備えるが、掃引型赤外光源２２と合波器２８との間にＡＯＭ４８をを備えてもよい。この場合、赤外光源２４と合波器２８との間に、分波器を備えればよい。
図７は、第３実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の第２変形例を示す。
本変形例に係る伝搬測定装置１００は、分波器４２と合波器４６との間に遅延素子５０をさらに備える。遅延素子５０は、分波器４２が分波した赤外光がテラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂに達するまでの時間を遅延させる。
このように遅延素子５０を備えることにより、分波器４２が分波した赤外光が、合波器２８、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０、及び被測定物１０を経由して、テラヘルツ光としてテラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂに到達するまでの伝搬時間Ｔ１と、遅延素子５０及び合波器４６を経由して、赤外光としてテラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂに到達するまでの伝搬時間Ｔ２とを、一致させることができる。
伝搬時間Ｔ１と伝搬時間Ｔ２とが一致していない場合、掃引型赤外光源２２が出力する赤外光の周波数ｆ１を掃引すると、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂが検出するテラヘルツ光の周波数が変化するタイミングと、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂに供給される赤外光の周波数が変化するタイミングとの間で不一致が生じ、これにより測定誤差が生じてしまう。
これに対し、本変形例の伝搬測定装置１００は、分波器４２と合波器４６との間に遅延素子５０を備えるので、伝搬時間Ｔ１と伝搬時間Ｔ２とを一致させることができる。このため、掃引型赤外光源２２が出力する赤外光の周波数ｆ１を掃引した場合であっても、赤外光の周波数ｆ１の掃引に起因して測定誤差が生じることを防止できる。従って、本変形例によれば、より高精度且つ迅速に伝搬特性の周波数依存性を測定できる。
［第４実施形態］
図８は、本発明の第４実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の一例を示す。第４実施形態においては、第１実施形態、第２実施形態、又は第３実施形態に係る伝搬測定装置１００と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略又は簡潔にする。
本実施形態に係る伝搬測定装置１００は、第３実施形態に係る伝搬測定装置１００に加えて、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が放射したテラヘルツ光を分波する分波器３８と、合波器４６が合波した赤外光を分波する分波器５２と、赤外光／テラヘルツ光変換素子３０が放射したテラヘルツ光を被測定物１０を介さずに検出し、分波器５２が分波した赤外光を用いて、ヘテロダイン検波を行う第２検出部の一例であるテラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｃとを備える。テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｃには、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂと同様のデバイスを用いる。
テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂは、分波器３８が分波したテラヘルツ光の一方を被測定物１０を介して検出し、分波器５２が分波した赤外光の一方を用いて、ヘテロダイン検波を行う。そして、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂは、ヘテロダイン検波による検出結果の検出信号を増幅器１６に供給する。増幅器１６は、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂにより得られた検出信号を増幅して、ネットワークアナライザ１８の位相・振幅比較器３２に供給する。
テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｃは、分波器３８が分波したテラヘルツ光の他方を被測定物１０を介さずに検出し、分波器５２が分波した赤外光の他方を用いて、ヘテロダイン検波を行う。そして、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｃは、ヘテロダイン検波による検出結果の検出信号をネットワークアナライザ１８の位相・振幅比較器３２に供給する。
位相・振幅比較器３２は、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｃが検出したテラヘルツ光に基づく検出信号を参照信号として、テラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂが検出したテラヘルツ光に基づく検出信号の位相や振幅を求める。
第３実施形態の伝搬測定装置１００では、位相・振幅比較器３２は、参照用高周波信号源２０が発生する信号を参照信号として用いるので、赤外光／テラヘルツ光変調素子３０が出力するテラヘルツ光の強度が変動すると、位相・振幅比較器３２における比較の基準となる参照信号の大きさに対して、検出信号の大きさが変動してしまう。そのため、第３実施形態の伝搬測定装置１００では、赤外光／テラヘルツ光変調素子３０が出力するテラヘルツ光の強度が変動した場合には、位相・振幅比較器３２による比較結果に誤差が生じてしまう場合がある。
これに対し、本実施形態の伝搬測定装置１００では、赤外光／テラヘルツ光変調素子３０が出力するテラヘルツ光を用いて参照信号を生成するので、赤外光／テラヘルツ光変調素子３０が出力するテラヘルツ光の強度が変動した場合には、位相・振幅比較器３２に供給される検出信号の大きさと参照信号の大きさとが同様に変動する。従って、赤外光／テラヘルツ光変調素子３０が出力するテラヘルツ光の強度の変動の影響を受けることなく、高精度に被測定物１０の伝搬特性を測定することができる。
本発明に係る伝搬測定装置１００は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態による伝搬測定装置１００において、テラヘルツ光検出素子１４もしくは１４ａと位相・振幅比較器３２との間、又はテラヘルツ光検出・周波数変換素子１４ｂ又は１４ｃと位相・振幅比較器３２との間に、中心周波数ｆＩＦの帯域フィルタを挿入してもよい。これにより、ノイズを除去することができ、測定精度の向上を図ることができる。
以上発明の実施の形態を説明したが、本出願に係る発明の技術的範囲は上記の実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態に種々の変更を加えて、請求の範囲に記載の発明を実施することができる。そのような発明が本出願に係る発明の技術的範囲に属することもまた、請求の範囲の記載から明らかである。産業上の利用可能性
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、テラヘルツ光領域における被測定物の伝搬特性を高精度且つ迅速に測定し得る伝搬測定装置及び伝搬測定方法を提供することができる。さらに、このような伝搬測定装置を簡便な構成で安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の一例を示す。
図２は、第１実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の第１変形例を示す。
図３は、第１実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の第２変形例を示す。
図４は、本発明の第２実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の一例を示す。
図５は、本発明の第３実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の一例を示す。
図６は、第３実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の第１変形例を示す。
図７は、第３実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の第２変形例を示す。
図８は、本発明の第４実施形態に係る伝搬測定装置１００の機能構成の一例を示す。
図９は、従来の伝搬測定装置２００の概略図を示す。
図１０は、従来の波長分散測定装置３００の概略図を示す。
図１１は、従来の光断層像画像化装置４００の概略図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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