最近の展望

テラヘルツ帯周波数コムの発生と応用
安井武史

光周波数コムは，電波領域と光波領域の周波数を高精度にリンクすることを可能にしたため，超精密分光や光周波数標準をはじめとした分野で革命的進展をもたらし，2005年ノーベル物理学賞につながった．一方，周波数コムをテラヘルツ（THz）領域まで拡張できると，電波〜THz 波〜光波というきわめてワイドレンジな電磁波領域に共通した「周波数」という物理量を，コヒーレントにリンクできる．その結果，各電磁波領域の境界を越えて，周波数を同一精度で論じることが可能になる．本稿では，周波数コムによるコヒーレント周波数リンクとそれに基づいた THz 周波数標準技術について解説する．

1． まえがき

2． 周波数コムを用いたコヒーレント周波数リンク

近年のテラヘルツ（THz）テクノロジーに関する研究開

コヒーレント周波数リンクに基づいた THz 周波数標準発の加速に伴い，超高速・大容量無線通信や高機能センシ技術の概念図を図 1 に示す．現在，時間（周波数）の定義

ング（非破壊検査，セキュリティ，レーダなど）といったは，マイクロ波帯のセシウム原子時計に基づいている．一産業分野での利活用が具体化し始め，THz 波に関連した計量標準の整備が世界的に望まれている．しかしながら，長方，光波領域のフェムト秒モード同期レーザー光は，光周らく未開拓な電磁波領域とされてきた THz 帯では十分に同期周波数の間隔で櫛（comb）の歯状に並んだ超離散マル

成熟した技術がなかったため，光波領域と電波領域の境界チ・スペクトル構造（光コム）を有している．この光コムにはいまだ「計量標準の THz ギャップ」が存在している．

を THz 発生用光伝導アンテナ（PCA エミッタ）に入射す

この THz ギャップを解消できれば，確かな信頼性に基づいた THz 計量標準を構築でき，THz 応用産業を国内外にると，THz 領域の電磁波コム（EM ‑THz コム）が自由空間に放射される．一方，光コムを THz 検出用光伝導アンテ幅広く普及させていくことが可能になる．

ナ（PCA ディテクタ）に入射すると，アンテナギャップ部

波数領域において多数の安定な光周波数モード列がモード

周波数は，電磁波の最も基本的な物理量であると同時にの光伝導膜に光励起キャリヤ（フォトキャリヤ）の THz コ最も高精度に発生・計測可能な物理量でもあり，電磁波における計量標準の根幹をなす技術として周波数標準技術がム（PC‑THz コム）が生成される．これらの過程では，光コムのオフセット周波数成分がカットされ，光コムが同じある．例えば，電波領域では，セシウム原子時計が周波数モード間隔を保ったまま低周波数側へダウンコンバートさ標準として確立されている．我々は，電波や光波領域と同等の周波数不確かさを有する THz 周波数標準技術を確立するため，電波・光波・THz 波という三つの異なる電磁波の周波数を周波数コムによってコヒーレントにリンクすることを提案している ．このコヒーレント周波数リンクによって，電波や光波領域における充実した周波数標準群の不確かさを THz 領域に分配し，SI 基本単位の一つである時間（秒）の国家標準にトレーサブルな THz 周波数標準技術の構築が可能になる．本稿では，コヒーレント周波数リンクについて述べた後，とくに THz 帯の周波数コム（THzコム）を基準とした THz コム参照型スペクトラムアナラ
イザおよび THz コム分光法を紹介する．

図 1 コヒーレント周波数リンクに基づいた THz 周波数標準技術．

徳島大学 大学院ソシオテクノサイエンス研究部 〒 770‑8506 徳島市南常三島町 2‑1.
分類番号e‑mail:yasui＠me.tokushima‑u.ac.jp
Generation and application of frequency comb in terahertz region. Takeshi YASUI.
Institute of Technology and Science, The University of Tokushima（2‑1 M inami‑Josanjima, Tokushima 770‑8506）

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7.8,7.10

応用物理 第 81巻 第 4号（2012)

れることになる．その結果，モード同期周波数の基本波成

気的ヘテロダイン法との主な違いは，被測定 CW ‑THz 波分（＝f）と多数の高調波成分（＝2f,3f,……,nf）が等間隔で立ち並んだ高調波コムが THz 領域に生成される．の検出器兼ミキサ（ヘテロダイン検出器）として PCA ディ光コムや THz コムは，広い周波数選択性・非常に高いスペ域なスペクトル感度を実現している点である．もう一つのクトル純度・絶対周波数校正・周波数逓倍機能・単純性といった特徴を有している．さらに，レーザー制御や光伝導違いは，PCA ディテクタ中に生成した PC‑THz コムを，多周波の局部発振器として利用することにより，１台の局アンテナがコヒーレントな過程に基づいているため，現在部発振器で THz 領域を広くカバーしている点である．の周波数標準であるマイクロ波原子時計にフェムト秒モード同期レーザーを位相同期することにより，光コムや THz

THz 時間領域分光法（THz‑TDS）を用いた先行研究で，PCA ディテクタ（光伝導膜：低温成長 GaAs 薄膜）の検出コムが「周波数の超精密物差し」として利用できる．すな

スペクトル感度が 200THz に達していることが報告され

わち，マイクロ波領域‑光波領域‑THz 領域の周波数をコており ，本手法により室温環境下で THz 領域をフルカヒーレントにリンクすることが可能となり，SI 基本単位の一つである時間（秒）にトレーサブルな THz 周波数標準技

バー可能な高調波ミキシングが可能であると考えられる．

術が構築できる．

3． THz コム参照型スペクトラムアナライザ（THz スペアナ)

テクタを用いることにより，室温環境下で高感度かつ広帯

図 2(c )は，光伝導ミキシング法における周波数スペクトル信号の振る舞いを示している．モード同期周波数（＝f＝56MHz）がルビジウム原子時計に位相同期されたフェムト秒ファイバレーザー（中心波長 1550nm，パルス幅 50

各種光源の絶対周波数やスペクトル形状を計測するスペfs，平均パワー100mW ）から出力された光コムは，PCA
ディテ ク タ 光 伝 導 膜（低 温 成 長 GaAs 薄 膜）の バ ン ド

クトラムアナライザは，最も基本的な周波数計測技術の一ギャップ（約 1.5eV）を励起するため，非線形光学結晶でつである．高周波信号を RF 帯までダウンコンバートする2倍波（波長 775nm）に波長変換された後，PCA ディテク技術として，マイクロ波領域では電気光学サンプリングにタに集光される．これにより，PCA ディテクタ内に PC‑THz コム（周波数＝0, f, 2f, ……, nf）が生成される．

基づいた高調波ミキシングがよく使われてきた．THz スペ
アナでは，PCA ディテクタ内での光伝導ミキシングを用いこのような状況下で，被測定 CW ‑THz 波（周波数＝f）ることにより，高調波ミキシングを THz 領域まで拡張しが PCA 内に入射されると，光伝導ミキシング過程を経て，ている．

両者のビート信号成分（周波数＝f , f±f , 2f±f , ……,nf±f ）が PCA ディテクタ出力電流信号として RF 帯に光伝導アンテナは，図 2(a )に示すように，光伝導膜上に平面アンテナ形状をもつ金属電極をつけた構造となってお生成される．ここで，最も低周波のビート信号（f ビート信り，光伝導膜のバンドギャップエネルギーを超えるレー号）は，被測定 CW ‑THz 波とそれに最隣接した m 次のコザー光（光コム）がアンテナギャップ部の光伝導膜に入射ムモード（周波数 mf）のミキシングによって生成している

されると，フォトキャリヤが瞬時的に生成される．ここで，ので，被測定 CW ‑THz 波の絶対周波数 f

アンテナギャップ間にバイアス電圧を印加すると，瞬時電に与えられる．

流の双極子放射により，THz 波（EM ‑THz コム）が自由空間に放射される（PCA エミッタ）．一方，アンテナギャッ

f＝mf±fは以下のよう(１)プ間に電流計を接続すると，PCA ディテクタとして動作し，PC‑THz コムがアンテナギャップ部の光伝導膜に生成

f および f は，RF 帯周波数計測機器で直接測定可能である．m と f 符号を決定するためには，モード同期周波数 fされる．

を δf だけ変化させたときのビート周波数 f の変化量 δf

光伝導ミキシング法の原理を図 2(b )に示す．従来の電を計測する．この場合，fは以下のように与えられる．

図 2 THz スペアナの測定原理．

テラヘルツコム（安井）309

図 3 THz スペア ナ で 計 測 さ れ た CW ‑THz 波 の ス ペ ク ト ル．
(a )周波数逓倍器と(b )UTC‑PD フォトミキシングソース．

f＝m(f＋δf)±(f ＋δf)(２)(１)式と(２)式の等号関係から，m と f 符号が以下の式を用いて決定できる．
m＝

δfδ
f(３)

sign(f )＝−signδfδ
f(４)図 4 (a )単一 THz パルスおよび(b )THz パルス列の電場時間波形と振幅スペクトル．

微 細 構 造 ス ペ ク ト ル を ど の よ う に し て 取 得 す る か？
EM ‑THz コムスペクトルの観測手段として，PC‑THz コムとの多周波ヘテロダイン光伝導検出がこれまでに報告されているが，信号取得効率が低く，良好な測定 SN 比を得ることが困難であった ．一方，THz パルスを用いた代表的な THz 分光法である THz‑TDS では，時間遅延走査用機械ステージの移動ストロークの制限から，通常，単一

図 3(a )は，マイクロ波周波数シンセサイザの出力を周の THz パルスの電場時間波形を取得する（図 4(a )左側）．

波数逓倍器で 6逓倍することによって得た狭線幅 CW ‑この電場時間波形をフーリエ変換することにより，振幅おTHz 波（周 波 数＝100GHz，パ ワー＝5mW ，線 幅＜0.6Hz）の周波数スペクトルを示しており，下側と上側のスよび位相のフーリエスペクトルを取得するが，単一パルスケールはビート周波数 f と絶対周波数 f現象のフーリエ変換によって取得されたスペクトルは連続をそれぞれ示スペクトルとなり，周波数コム構造は観測されない（図している．狭線幅のスペクトル形状がきわめて高分解能に

4(a )右側）．一方，もし THz 電場時間波形の測定時間窓が測定できている．CW ‑THz 波のパワーレベルとビート信号の測定 SN 比から，最低検出限界パワーレベルは 11nWパルス周期よりも十分に大きくすることができれば，複数と見積もられる ．また，周波数測定精度は 10の THz パルスから構成された THz パルス列の電場時間に達して波形が観測されるであろう（図 4(b )左側）．THz パルス列

おり，これはレーザー制御用基準信号源に用いたルビジウのような繰り返し現象のフーリエ変換では，周波数領域でム原子時計と同等である．図 3(b )は，THz 無線通信に用はパルス周期の逆数，すなわちレーザーモード同期周波数いられる F バンド（周波数＝90‑140GHz）単一走行キャリの間隔でスペクトル変調がかかり，THz パルス列を構成するパルス数が増えるにつれて変調が深くなる（図 4(b )右ヤ・フォトダイオード（UTC‑PD）型フォトミキシング
CW ‑THz 光源（周波数＝120GHz，パワー＝100μW ）をリ側）．その結果，THz コムの超微細構造スペクトルの観測がアルタイム計測した例である．ビート信号が大きく揺らい可能になる．しかし，従来の THz‑TDS で THz パルス列でいる様子が確認できるが，これはフォトミキシングに用の電場時間波形を取得するためには，数 m から数十 m のいた 2台の近赤外 CW レーザーがフリーランニング状態機械ステージを用いた時間遅延走査が必要となり，現実的であるためである．に実現不可能であった．

4． THz コム分光法
THz 分光に基づいたセンシングは，THz テクノロジーの中核技術である．常に普遍的な分析能力を発揮するためには，取得スペクトルの周波数スケールが国家周波数標準にトレーサブルであることが必要とされるが，現状はこのようなトレーサビリティ体制が整備されていない．もし，
EM ‑THz コムを THz 分光測定の周波数スケールとして利用できれば，そのスケールの不確かさがマイクロ波原子

そこで，我々が着目したのが非同期光サンプリング法（ASOPS 法）である ．ASOPS 法では，モード同期周波数がわずかに異なるように制御された 2台の独立したフェムト秒レーザーを用いる（モード同期周波数差＝Δ＝f −（図 5(a )）．各々のレーザー光を THz 発生用ポンプ光f）と THz 検出用プローブ光に用いると，パルス周期がわずかに異なるので，THz パルス（モード同期周波数 f ）とプローブ光（モード同期周波数 f ）が THz 検出素子で重なる
タイミングがパルスごとに自動的にずれていき，高速サン時計で担保されることになり，きわめて高確度かつ高精度プリングされる（図 5(b )）．その結果，サブピコ秒オーダな THz 分光測定が可能になる．では，EM ‑THz コムの超の THz パルス電場時間波形の時間スケールを，任意の時310

応用物理 第 81巻 第 4号（2012)図 5 非同期光サンプリング法の原理．(a )セットアップと(b )タイミングチャート．

間スケール拡大率（＝f /Δ）で拡大できる．RF 帯まで時間

図 6 (a )THz コ ム ス ペ ク ト ル と THz 連 続 ス ペ ク ト ル の 比(b )拡大された THz コムスペクトル．

．

スケールが拡大された時間波形は，汎用オシロスコープで実時間測定できるので，もはや機械式時間遅延ステージが不要となる．その結果，測定時間窓に関する制限が解消され，任意の数の THz パルス列の電場時間波形が取得できる．

5． むすびTHz コムは，CW ‑THz 波の狭線幅特性と THz パルスの広帯域スペクトル特性を併せもつ．さらに，レーザー制原理確認のため，デュアル・フェムト秒ファイバレーザー

御技術により，マイクロ波原子時計と同等の周波数不確か（平均パワー500mW ，中心波長 1550nm，モード同期周波数 250MHz，パルス幅 50fs），PCA エミッタ，および PCAさや周波数可変性を付与することができるので，THz 周波数標準技術や超精密 THz 分光をはじめとした各種 THz

ディテクタを用いて ASOPS‑THz‑TDS 装置を構築した．

周波数計測において重要なツールとなるであろう．

ASOPS 法の原理に基づいて，時間スケールが RF 領域まで拡大された電流信号が PCA ディテクタから出力される

本研究の一部は，(独)科学技術振興機構（JST）の研究成果展開事業（産学共創基礎基盤研究プログラム），日本学術

ので，増幅後，その時間波形を高速デジタイザで取得した．

振興会の科学研究費補助金（No.23656265），および大阪大

図 6(a )は，10連の THz パルス列（周期 4ns）の電場時間

学科学教育機器リノベーションセンターの革新的研究教育波形（測定時間窓＝40ns）をフーリエ変換することにより基盤機器開発整備事業の支援によって行われた．

得られた THz コムの振幅スペクトルである．スペクトル波形の内部がベタに塗り潰されているのは，実際には１万本にも及ぶ周波数モード列がモード同期周波数間隔で整然と分布しているからである．比のため，単一 THz パルスの電場時間波形をフーリエ変換することによって得られた
THz 連続スペクトルも図 6(a )に示す．THz コムのスペクトル包絡線と THz 連続スペクトルの形状はよく一致しており，このことはレーザータイミングジッタの影響なくTHz パルス列の時間波形を精度よく測定できていることを示している．また，スペクトルに幾つか観測されている
ディップは，大気中水蒸気の回転遷移に伴う吸収スペクト

文献1) T. Yasui, S. Yokoyama, H. Inaba, K. M inoshima, T. Nagatsuma, and T. Araki:IEEE J. Selected Topics in Quantum
Electron. 17, 191 (2011).
2) S. Yokoyama, R. Nakamura, M. Nose, T. Araki, and T.
Yasui:Opt. Express 16, 13052 (2008).
3) T.Yasui,R.Nakamura,K.Kawamoto,A.Ihara,Y.Fujimoto,
S.Yokoyama,H.Inaba,K.M inoshima,T.Nagatsuma,and T.
Araki:Opt. Express 17, 17034 (2009 ).
4) T. Yasui, Y. Kabetani, E. Saneyoshi, S. Yokoyama, and T.
Araki:Appl. Phys. Lett. 88, 241104 (2006).

ル群であり，本手法による THz 分光の単純な例であると

5) T.Yasui,M .Nose,A.Ihara,K.Kawamoto,S.Yokoyama,H.
Inaba,K.M inoshima,and T.Araki:Opt.Lett.35,1689 (2010).

いえる．吸収スペクトルの中心周波数は，NASA データベースの値とよく一致しているが，大気圧下での圧力拡が

6) I. Katayama, R. Akai, M . Bito, H. Shimosato, K. Miyamoto,H. Ito, and M. Ashida :Appl. Phys. Lett. 97, 021105 (2010).

りにより，スペクトル幅は 10GHz 程度まで拡がっている．

7) C. Janke, M . Forst, M. Nagel, H. Kurz, and A. Bartels:Opt.
Lett. 30, 1405 (2005).

次に，THz コムスペクトルの内部構造を確認するため，0.4THz 付近の周波数レンジを拡大して示したのが図 6(b )である．線幅 25MHz の周波数モード列が，250M Hz の周

8) T. Yasui, E. Saneyoshi and T. Araki:Appl. Phys. Lett. 87,061101 (2005).
(2011 年 12 月 5 日受理)

波数間隔で分布している様子が確認できる．周波数間隔はレーザーモード同期周波数によって決定されており，線幅

安井 武史

は測定時間窓の逆数によって決まっている．

1997年徳島大学大学院工学研究科修了，博士（工学）．
同年計量研究所・博士研究員，99年大阪大学大学院基礎工学研究科 助手，10年徳島大学大学院ソシオテクノ
サイエンス研究部教授．09年応用物理学会光学論文賞．専門分野は，知的 THz 計測，非線形光学顕微鏡，レーザー制御など．

テラヘルツコム（安井）

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