平成19年 7月9日

テラヘルツ技術の現状と展望
大阪大学レーザーエネルギー学研究センター
斗内政吉
tonouchi@ile.osaka-u.ac.jp

減衰(dB)

100G-30T

周波数 (Hz)

光・電波の減衰1. 背景 ～テラヘルツ技術の新展開～
2. テラヘルツ技術の現状
3. テラヘルツ技術が拓く新しい科学技術分野
4. 高輝度テラヘルツ光への期待
5. まとめ未開拓領域“テラヘルツ”帯

１）テラヘルツ技術は新しいセンシング機能を提供し、工業・医療・バイオ・農業・セキュリティなど様々な分野における応用が見込まれている。２）情報通信・エレクトロニクス分野においても基盤技術となりつつある。３）バイオ・生体活動を科学する重要なプラットフォームである。４）テラヘルツ波を観測することで宇宙誕生の鍵を解く情報収集が期待されるなど、サイエンスの宝庫でもある。
mm-waves
THztransistors
Superconductor
single flux quantum circuit

THz Gap

FT/IR spectroscopy
Quantum
cascade lasersInfrared sensors
and cameras

THz sensing/THz wireless Communication/THz electronics

テラヘルツ技術の新展開
キーテクノロジー
1. テラヘルツ時間領域分光法（1990年代以降）¾物質の複素パラメーター（光学定数、誘電率など）が、簡単に計測できるようになった。
¾分光イメージングにより様々な応用が期待されている。
¾フェムト秒時間スケールの物質のダイナミックな応答を追跡できるようになった。
2. テラヘルツ量子カスケードレーザー（2002年以降）¾ナノテクノロジーの進化により新しいレーザーが誕生¾新しい分析・センシング応用が期待（ガス分析など）
3. 高出力テラヘルツ波光源（2000年以降）¾フォトミキシングによる高精度なチューナブルテラヘルツ波の発生¾非線形効果による高出力テラヘルツ光源（パラメトリック、差周波混合など）¾THz自由電子レーザーなど（ジェファーソン研究所など）
4. サブテラヘルツ電子デバイス・集積回路技術（2005年以降）¾半導体・超伝導集積回路の高速動作（100GHz以上）¾共鳴トンネルダイオードなどの基礎研究（1THzの発振など）テラヘルツ時間領域分光法
Terahertz Time Domain Spectroscopy
THz-TDS時間領域テラヘルツ波分光システム

100 fs

0.1

9Pump
Bias

65mW
6V

Amplitude (arb. units)

Amplitude (arb. units)

チタンサファイアレーザー
12-100fs、10-80MHz
500mW-2W
ファイバーレーザー50-100fs
10-50MHz
30-300mW

30-3-6101214

1618Time (ps)

2022

24

0.01
1E-3
1E-4
1E-50

1

2
3Frequency (THz)45

Normal THz-TDS

さまざまな電子材料分析

ε1ε2

シリコン、ガラス

Dielectric Constants

3020

絶縁体基板
100-1-1

Optical Conductivity (ohm cm )0.52000
1600

σ0マンガン酸化物
Data byIshikawa et al.
Drudecurve

1200800
σDC

4000

Present work(by THz-TDS)

1Lorentz
curve

10100
Photon Energy (meV)(100) LSAT

1.0
1.5
Frequency (THz)2.0

高温超伝導体テラヘルツ量子カスケードレーザー
Terahertz Quantum Cascade Laser
THz-QCL量子カスケードレーザ: Quantum Cascade Laser
多段滝（水）

量子力学的多段滝（電子）Charged carrier(Electron)e 量子カスケードレーザの特徴
 サブバンド間遷移 ユニポーラ素子（電子のみ）
 発振波長は量子井戸設計により調整
 キャリアリサイクリング（1電子がユニット数個の光子を発生）

hν

ゲイン
緩和・注入

hν

化合物半導体多層膜で実現
GaAs/AlGaAs

Real-Spacee

サブバンド間遷移ΔE
 Eemit ~ 3.3 THz
 ΔE > ELO (~36 meV)

構造B. Williams et al., APL 83, 5142 (2003).

NICT 寳迫巌氏提供

1.6THz
4.4THzNature Vol. 417 (2002)

Courtesy Qing Hu, MIT, Aug. 2006

Tonouchi

New approach to THz sources
10 5Output

1000
100
101

III -V Laser

IIMPATTMMIC

QCL

Gunnrxe
mioto
PhPD
CUTPower(mW )10 4

THz-QCL
Lead Salt Laser
p-Ge Laser

TUNNET

0.1

RT
D

0.01
0.001
0.01

DFG, parametric

0.1

テラヘルツ技術、オーム社、2006年

Multiplexer

110Frequency (THz)

1001000

テラヘルツイメージング

B. B. Hu and M. C. Nuss Opt. Lett. 20, 1716 (1995).

阪大斗内研

名大/理研・川瀬晃道＆栃木ニコン

大阪大学 斗内政吉

テラヘルツ技術の将来展望
テラヘルツ波Terahertz Waves

テラヘルツテクノロジー
Terahertz Technology

テラヘルツフォトニクスTerahertz Photonics

テラヘルツエレクトロニクス
Terahertz Electronics

テラヘルツ技術、オーム社、2006年

大阪大学 斗内政吉

テラヘルツテクノロジー分野の融合とシナジー効果
テラヘルツ波レーザ工学

天文学

未踏センシング
宇宙
天文

環境工学
DNA
バイオ

生体・医療

セキュリティー

標準
EMC

医療

分析機器

非破壊検査
データベース

テラヘルツ波
結晶

バイオ
メトリクス

新材料
非線形光学

テラヘルツフォトニクス

センサーネットワーク
無線通信

光通信
ルーター・サーバー

次世代通信
ナノデバイス
光・電波変換化合物半導体集積回路

新産業機器

超高速AD・TD

計測工学
超伝導工学

テラヘルツエレクトロニクス
極限コンピューティング
論理回路

光ファイバ通信

1T

E-TDM

波長多重ノード

電波

基幹光伝送(120GHz)1G(60GHz)

100 M無線

Ethernet

CKC

10BASE-T

CKS

VEE

1M

CKT

～1900 HBTs

10 M

VRT

1980

1985

1990

1995

2000

年

2005

2010

20GHz SFQ
Micro-Processor

VIN
VRB

VEE

VEEA

D0
D1

テラヘルツデバイス

VEE

フォトニックデータパス
化合物フロントエンド処理

VEE

アナログ ディジタル

D2

超伝導
パケット処理終端

OF

CMOSバックエンド

VEE

ビットレート (b/s)

100 G
10 G

テラヘルツ
ICT

36Gbps ADC

SFQ光パケットスイッチ
数十Gbps無線実現へ

テラヘルツ無線・超高速論理回路・SFQノード／サーバーなど、様々なテラヘル技術が次世代ICTを開拓する。

テラヘルツイメージングと安全安心応用

違法薬物検知バイオメトリクス
外乱光源

エミッタ

yx

THz

励起パルス

THz

評価試料

検出パルス

ディテクタ

スケールモデルシミュレータ

隠匿物検査

テラヘルツイメージングは、様々なセンシング機能を有し、危険物・禁止薬物検査・隠匿物検査など、セキュリティ分野における新展開が期待されている。

皮膚がん診断

バイオ・生体・医療・医薬品検査応用

DNA検査
医薬品結晶多形分析

イムノアッセイ（抗原抗体反応）

テラヘルツ分光イメージングは、医薬品結晶多形、分子間相互作用、水素結合評価、成分検査など、様々な新しい分析応用が期待されている。

工業・農業応用
農作物／食品検査・管理

LSI不良解析

電子材料／ナノ材料分析

半導体ウェファー評価

誘電率／導電率評価による電子・ナノ材料分析、農作物等の水分成分検査、テラヘルツ波発生によるLSI不良解析など、産業展開への期待も大きい。

宇宙･環境計測

Image courtesy of JAXA

12.5&3.3THz
CameraSMILES

EarthMonitoring
ALMAAkari

大阪大学 斗内政吉

テラヘルツテクノロジーが目指すもの
より豊か、より便利、より安全・安心な社会への貢献
高度情報通信技術革新☞次世代光通信☞テラヘルツ無線☞高速ネットワークノード☞超高速論理回路/サーバー

新機能センシング・分析技術の創製☞バイオ／生体分析・医療☞セキュリティー・環境検査☞非破壊検査・工業分析☞宇宙観測・基礎科学

新規融合分野の開拓☞センサーネットワーク☞バイオメトリクス☞リモート分析・診断☞大容量分光イメージング

テラヘルツフォトニクス

テラヘルツエレクトロニクス

テラヘルツ波産業展開

大阪大学 斗内政吉

分析機器⇒電子材料・工業材料・バイオ／医薬品・農作物・環境計測など診断・検査技術⇒皮膚癌・セラミックス・美術品・LSI不良解析・
医薬品・建物（建材）・スペースシャトル断熱材など
安全・安心技術⇒禁止薬物・危険物（爆薬・有毒ガスなど）・
セキュリティー（THzカメラ）・指紋・食品検査など
情報通信⇒サブテラヘルツ無線（ビル間通信・ホットスポット・遠隔医療・ハイビジョンTV）・光ルーターなど
基礎科学研究機器⇒宇宙天文・分子/電荷ダイナミクス観測など

皮膚癌診断例

Teraview, UK,
cancernormaltissue

正常組織

癌組織ノイズ

by 名大

川瀬晃道ら

検査・NDE応用
スペースシャトル
外壁パネル全数検査

LSI不良箇所特定装置（阪大、NECEL他開発中）
断線なし 断線あり

http://www.rpi.edu/~zhangxc

MOS TEGサンプル

安全・安心応用例
THz-QCLによるリアルタイムイメージング

IEEE Photonics Technol. Lett. 18, 1415(2006).

郵便物内の麻薬検査

理研・名大他

基礎科学応用
水分子のダイナミクス
Bulk water
10-12s

10-7s~10-9s

サクロース
水和数⇒約11個Int. J. Infrared and Millimeter
Waves 27, 505-515 (2006)

Courtesy of Fukunaga(NICT)Art Conservation

高輝度テラヘルツ光への期待
1. EMC技術の標準化⇒テラヘルツの安全・安心／セキュリティー応用☆データベースの構築☆生体への影響を検証し、産業展開規格を提供
2. THzポンプ＆プローブ⇒材料科学への新展開☆基礎科学・新Qbits･･･
3. テラヘルツ非線形光学⇒新しい非線形光学☆バイオ・製薬・材料科学・基礎科学・天文･･･
4. 新電磁気学⇒新しい光科学のための基盤ツール☆メタマテリアル･スーパーレンズ・透明マント･･･

まとめ
テラヘルツテクノロジーは、主要３分野、テラヘルツ波・テラヘルツフォトニクス・テラヘルツエレクトロニクスの融合により、生命・医療・健康・産業・宇宙・環境・安全/安心・情報通信・基礎科学など、広範な領域において、新規科学技術・応用分野を切り拓き、大きな波及効果をもたらすことが期待される。

Star Trek
1966-1969

ショルダーホン！
1985

携帯電話からICT端末へ
2005tonouchi@ile.osaka-u.ac.jp
参考文献
応用物理学会誌２００６年２月号
nature photonics ２００７年２月号
テラヘルツ技術（オーム社、２００６年５月）
http://www.ile.osaka-u.ac.jp/research/THP/