テラヘルツ・サブピコ秒の波形をゆがみなく計測
横浜国立大学 大学院工学研究院
知的構造の創生部門 教授 片山 郁文
2023年6月6日
1Outline• 背景• テラヘルツ波とは• テラヘルツ波無線通信と光電融合• テラヘルツ波形計測の必要性と波及効果• 技術紹介• テラヘルツ検出技術• シングルショット分光法• リアルタイム波形検出技術• テラヘルツオシロスコープに向けて• 想定される用途• 企業への期待• 連絡先など
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THz(1012 s-1)-ps(10-12 s)領域

テラヘルツ領域：エレクトロニクスと光技術の中間領域
大容量無線通信・分光分析・イメージング

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研究動向（JST-CRDS）2021年戦略プロポーザルにおいて、無線・光融合基盤技術の重要性が指摘されている。

4キャリア周波数と通信帯域

永妻忠夫、精密工学会誌
82, No.3, 221 (2016).

周波数帯域が上がるごとに変調帯域を広くとることができ伝送速度が上がる
変調帯域を十分にカバーする波形計測装置が必要＝ピコ秒・テラヘルツ領域の波形計測

5テラヘルツ波形検出の必要性
テラヘルツ
発振デバイス
光通信・THz通信の変調速度評価

波形計測
・分光モニタリング
超高速距離検出・物質同定・電波検出

テラヘルツ
高速イメージング
薬品・プラスチック・コンク
リート等の超高速イメージ
ング• どのくらいの速度で振幅変調や位相変調を行うことができるのか？
• 振幅や位相のゆらぎは何に起因しているのか？

• 距離検出や、TD-OCTなどにはテラヘルツ波形計測が必要。
• 物質・プロセスの同定のためには、波形・スペクトル測定が必要。
• イメージングには、高速、高繰り返しな波形計測が必要。
• 波形・スペクトルをロバストなデバイスで計測したい。
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従来技術とその問題点
既に実用化されているテラヘルツデバイスや分光装置には下記のものがある
UTC-PD、QCL、RTD等・・・主に強度検出で単色なので、感度が高くヘテロダイン検出等が用いられるが電場波形検出は難しい。
差周波発生システム・・・高感度で波長可変であるが、強度検出で周波数掃引が必要。
THz-TDSシステム・・・電場波形を計測可能だが、時間掃引が必要でリアルタイム計測に適さない。

リアルタイム超高速テラヘルツ波形計測のできる技術は未確立
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テラヘルツ波形検出の必要性

十分な時間分解能を持ちうる光技術の側からアプローチ
・瞬間瞬間のテラヘルツ波形をリアルタイム測定できる新しい測定手法を開発：シングルショットテラヘルツ計測技術
・通信波長帯レーザーを利用することによる、ロバストかつ高感度な測定系の実現：光ファイバー技術との融合
超短パルス・テラヘルツ技術

光ファイバー技術

超広帯域・リアルタイム
テラヘルツオシロスコープ
テラヘルツデバイスの電場波形を高感度かつ正確に検出できる技術を実現。ファイバーと組み合わせてロバストな装置を開発することも可能
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波及効果

テラヘルツ領域の電磁波は見えていないだけで身の回りにあふれている。
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パルスレーザーとテラヘルツ波
Generation

Detection

PDPD

(110)

(110)

Polarizer
λ/4

電気光学効果を利用したパルスレーザーによるテラヘルツ波の発生と検出
発生：パルスレーザーを照射するとパルス時間幅に対応するテラヘルツ波が発生
検出：テラヘルツ電場で誘起される屈折率変化をパルスレーザーの偏光回転で検出
パルス幅1ps以下の超短パルスレーザーを利用して、広帯域のテラヘルツ波を発生・検出できる
ただし、電場検出はレーザーパルスの当たったタイミングのみ可能
10(a)

シングルショット波形検出
THz

Object plane(b) Echelon(c)

EO crystal

Object plane
Lens
Chirped
Probe Pulse

Lens

Lens

CameraFourier plane

Image plane

THz
EO crystal

Lens

Fourier plane

Image plane
Spectrometer
CameraTHz
Lens
EO crystal

CameraModulated
Probe Pulse(a) 非同軸斜め入射：M. Bonn et al., Opt. Lett. 25, 426 (2000).
(b) 階段状光学素子：Y. Minami et al., Appl. Phys. Lett. 103, 051103 (2007).
(c) チャープパルス法：Z. Jiang et al., Opt. Lett. 23, 1114 (1998).

(a),(b)の手法は結像系が必要で調整が困難
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チャープパルス検出法
I. A. Shkrob, et al., J. Appl. Phys. 96, 25–33 (2004).

pumpprobe

分光器でスペクトルを測定

sample😊😊 シングルショット計測により高速化可能
😊😊 プローブパルスのチャープ量で時間幅可変
😊😊 回折限界まで集光可能（アンテナなどで高感度化可能）
🙁🙁 時間分解能が窓幅(チャープ量)に依存🙁🙁 スペクトル波形に歪みが生じてしまう

真の波形は得られない
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波形ゆがみの原因
従来法：チャープパルスに直接書き込み

Frequency

Modulation

Sum frequency
Difference
frequency
Time

書き込み

読み出し

THz
Chirp pulse

Chirp
Ps-Laserpulse

EO

Compensator

BBO
Spectrometer

従来法：
和周波成分と差周波成分の２つがチャープパルスと干渉するため波形がゆがむ
提案法：
書き込みと読み出しを分離することで、波形補正やアンプなどの操作ができる
チャープパルスを用いた波形検出技術
13改良歪み補正技術
ModulationSum
frequency

位相補償
Difference
frequency

書き込み

Frequency

Difference
frequency

読み出し

Modulation

位相補償

THz

分光器
Chirp
pulse

Sum
frequency

EO

BBO

和周波発生

Frequency

Frequency

ModulationSum
frequency

Difference
frequencyTimeスペクトル形状が元の変調波形に対応
14

実験結果：LiNbO3における超高速変調
0.6

0.4

0.4

0.2

0.2
∆T/T

0.6

0.0

-0.2

-0.4

-0.4
-3-2-1012
Delay Time (ps)

-0.6

3

実験条件

Sample: LiNbO3, 室温
Pump: 790 nm

Probe: 790 nm chirp

0.0-0.2

-0.6

∆T/T

シングルショット：補正なし

GDD=0.2 ps2-3-2-101
2
Delay Time (ps)

3𝑺𝑺𝑺𝑺𝒘𝒘/ 𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑∆𝑻𝑻/𝑻𝑻 =− 𝟏𝟏𝑺𝑺𝑺𝑺𝒘𝒘/𝒐𝒐 𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑𝒑

500回(1秒)平均：補正あり

500回(1秒)平均：補正なし

0.6

0.6

0.4

0.4w/ pump 1st

0.2

0.2

w/o pump 2nd

0.0w/ pump 2nd

∆T/T

∆T/T

シングルショット：補正あり

0.0

0.6 ps

-0.4
-0.6

-3-2

-1
0
1
2
Delay Time (ps)

…

-0.2

-0.2

-0.4

3-0.6

w/o pump 1stw/o pump 500th-3-2-1
012
Delay Time (ps)3w/ pump 500th15実験結果：THz波検出（1秒積算）
チャープパルス：差分変化

0.3

QWP +3 deg.
QWP -3 deg.

0.2

∆Isig./Iref.

0.0-0.1

EO: ZnTe (t=1 mm)

0.1

QWP: ±3 deg.

THz Pump: 790 nm

0.0

Probe: 790 nm chirp

-0.1
-4-2
02
4
Delay Time (ps)up-conversion
stage scan

600
400
2000-400-6-4-202
4
Delay Time (ps)6103

stage scan-202Delay Time (ps)4w/o pump 1st

up-conversion
stage scan

102

Read: 790 nm chirp

w/ pump 1st101

w/o pump 2nd

100w/ pump 2nd10-1
10-2…

-200-0.2-46

FFT Amplitude (arb. units)-0.2-6

実験条件

THz: BNAQWP +3 deg.
QWP -3 deg.

0.2

0.1

Electric Field (V/cm)∆ISFG/ISFG-ref.

ステージスキャン：差分変化

01

2
3
4
5
Frequency (THz)

テラヘルツ波形の検出を実証

6w/o pump 500th
w/ pump 500th
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テラヘルツ波形計測を手軽にファイバーベースでロバストな系を構築中
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新技術の特徴・従来技術との比較• チャープパルスを用いたシングルショット
テラヘルツ波形検出に成功した→ファイバーを用いたロバストなデバイス• 従来技術の問題点であった、波形ゆがみを解消することに成功した。
• 本技術の適用により、従来は不可能であったリアルタイム波形検出が、超高速変調の高速なモニタリングやイメージング、エラー検出等が可能になる。
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想定される用途• 本技術の特徴を生かすためには、ファイバーベースのロバストで高感度な光学系とすることが重要である。
• 身の回りの様々なテラヘルツ波を可視化できる可能性がある。（放電・加工・破壊等）• これまでに、1 V/cm程度の感度があればレーザー加工時のテラヘルツ放射検出や、テラヘルツデバイスの電場検出などが可能であることが分かっている。
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将来展望

目標感度：1 V/cm程度

テラヘルツプローブをかざせば電子デバイスからの放射が検出できる

揺らぎの大きい系でのテラヘルツ分光が可能
光通信の超高速変調の性質をピコ秒時間分解で調べらる本技術によって、光通信の超高速信号やテラヘルツ波形を気軽に計測できるようにする
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企業への期待• ファイバーとの組み合わせによるロバストな計測技術の実現と高感度化は未達であるが、パルスファイバーレーザー技術の進展により、克服できるようになっていると考えている。
• 光計測技術を持つ企業との共同研究を希望。
• また、テラヘルツ分光技術を開発中の企業、
テラヘルツイメージング・テラヘルツ通信分
野への展開を考えている企業には、本技術や関連技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：テラヘルツ波形検出装置、テラヘルツ波形の検出方法• 出願番号：特願2021-206014• 出願人：横浜国立大学、神奈川県立産業技術総合研究所（KISTEC）• 発明者：片山郁文、武田淳、玉置亮
22産学連携の経歴• 2013年-2016年 総務省SCOPE委託研究実施• 2021年-2023年 KISTEC戦略シーズ育成事業• 2021年-2022年 NEDO若サポ
その他、共同研究1社、NDA1社等

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お問い合わせ先
横浜国立大学研究推進機構 産学官連携推進部門
産学官連携支援室
ＴＥＬ：045－339－4450
ＦＡＸ：045－339－3057
e-mail：sangaku-cd@ynu.ac.jp
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