薄膜型THz波高機能制御素子の開発
理化学研究所
光量子工学研究センター
テラヘルツ光源研究チーム
南出 泰亜

1Outline
1. 薄膜型テラヘルツ波制御素子• 非導波型（垂直入射型）• 導波型（面内伝搬型）
2. 非導波型デバイス-メタ表面1. 位相フレネルゾーンプレート
2. 磁気的共鳴効果を介した透明化現象
3. 導波型デバイス-プレーナ型1. ブルズアイ・導波路結合系による位相、方向制御
4. まとめ2テラヘルツ光（テラヘルツ波）
電波の透過性を有する最短波長域

0.1
マイクロ波

ミリ波

透過性
取り回し易さ光波の扱い易さを有する最長波長域
空間分解能
被曝なし
1100 THz

10

テラヘルツ光

赤外線

可視光●多くの物質にテラヘルツ帯固有の指紋スペクトル→テラヘルツ光を使った物質の判別、識別

工業応用

医学応用

安全安心

農学応用
3

薄膜型光学素子
非導波型（垂直入射）
メタ表面

Nanfang Yu et al., Science 334, 333 (2011)

物質の表面の人工構造で波面（位相）を制御導波型（面内伝搬型）

K. Okamoto et al., Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz
Waves, 38(9), 1085–1097 (2017).

フォトニック構造を用いたセンシング技術4非導波型デバイス-メタ表面-

5メタマテリアルによる様々なテラヘルツ光学素子
単層メタマテリア
ル素子

2重層メタマテリ
アル素子

複層メタマテリ
アル素子

透過フィルタ/ 透過率変調

○

◎◎

位相シフタ

△

◎

◎

波長板

△

○

◎

Optics Express Vol. 17, Issue 21, pp.
18590-18595 (2009)

Laser Photonics Rev. 8,No. 4, 626–632 (2014)

偏光回転素子○◎◎Science 340, 1304 (2013)

人工キラル物質○◎◎
Optical Materials Express Vol. 2,Issue 12, pp. 1702-1712 (2012)テラヘルツ吸収材

Х○

無反射膜/高反射膜

Х○PHYSICALREVIEW B 79,125104, 2009◎◎PRL 105, 073901 (2010)

レンズ/回折格子〇◎
Optics Express Vol. 18, Issue◎
6薄膜メタ表面の基本構造
２重USRR（非分割リング共振器）構造
•

偏向無依存

•

２層間での反並行双極子共鳴•

フォトリソグラフィー技術で作成可能

基本構造の設計

5cm~48 μm
5cm2層間に生じる反対称電流

全体像：フィルム状

100um

基本構造の光学顕微鏡像7光学性能
47.5μm
高い透過特性とπ/2 位相シフト
偏向無依存

Simulation: HFSS
Measurement: THz-TDS
Phase shifter reference by air
8位相フレネルゾーンプレート（FZP）への応用
 集光素子：高分解能イメージング、高エネルギー密度化
 従来のテラヘルツ波集光素子（バルク）
ポリマーレンズ

軸外し放物面鏡THzf ≥50 mm
既存のレンズ：厚さと焦点距離がトレードオフ

 本技術：薄膜型集光素子
フレネルゾーンプレート (FZP)
同心円環構造による空間的位相変調による回折波が干渉し集光本技術の利点 短焦点距離THz
f <30 mm

 薄膜、軽量 高透過(位相型 FZP)

9

薄膜デバイスとその評価系開発したデバイス

開発したデバイス

光学顕微鏡像評価光学系
Phase-FZP film lens

Lens

is-TPG*
sourceMonochromaticTHz output:
1.0 THz, ~1 μJ, 200 Hz

Pyroelectric detector
with 1-mmφ active area

CollimatedGaussian beam

3-axis scanning stage
X

Stage controller~13 mm at 1/e2

*Injection-seeded THz-wave parametric generator
Reference: YT et al., Proc. SPIE 10210, 102100W (2017).

YZ

検出器を3軸で動かして強度分布をイメージング
10計算結果と実験結果
Intensity (a.u.)
1Simulation(by MATLAB)

X (mm)

105Y=0 mm

0-5
f=24 mm-10X (mm)10Experiment

Z=24 mm

Y=0 mm

5Z=27 mm0-5

 Slightly longer f was due to -10
imperfect collimation ofincident THz beam

f=27 mm

1520253035404550 -10

Distance from FZP, Z (mm)-505100Y (mm)

焦点深度6mm, スポットサイズ0.6mm

焦点距離27mmの短焦点レンズを50µmの薄膜で実現

11Phase-FZPを用いたTHz波イメージング
テストパターンのTHzイメージング
Phase-FZP film lensCollimated 1.0-THz
Gaussian beamSamplePyroelectricdetector

X
Y“Visible camera”“THz image”

Intensity (a.u.)
120Y (mm)15USAF 1951
test target(printed bymetal inkon paper)

10500510

15200

X (mm)

用いたテストパターンの写真

テストパターンのTHzイメージング結果
12磁気的共鳴効果を介した透明化現象
入射光反射光

メタ表面
物体

磁気的共鳴による“迂回路”により透過可能になる

基本構造

透過光

Z. Han, S. Ohno, H. Minamide, Adv. Photonics Res. 2021, 2000186

13

シミュレーション結果中央の層では電気的共鳴が起こらない磁気共鳴の様子
Z. Han, S. Ohno, H. Minamide, Adv. Photonics Res. 2021, 2000186

14構造と透過スペクトル
物体挟んだ場合

磁気共鳴構造磁気共鳴構造で挟むことで透過Z. Han, S. Ohno, H. Minamide, Adv. Photonics Res. 2021, 2000186

15

パッチ構造の場合
パッチ構造

サンドイッチ

透明化

中央層の構造が変わっても透明化可能
Z. Han, S. Ohno, H. Minamide, Adv. Photonics Res. 2021, 2000186 16

想定される用途•

テラヘルツレンズ– イメージャー• 非破壊検査応用– 軽量性– 食品、薬剤検査– セキュリティ• 航空宇宙産業応用

微細な異物も検知– グローバルセンシング• ポータブルデバイス、ロボット応用•透明化技術– 遮蔽回避• 取り出し効率の向上• 不透明材料との融合– テラヘルツ用窓材

人工衛星への搭載– 強い磁気共鳴• 磁性のセンシング

窓材の透明化17導波型デバイス-プレーナ型-

18

ブルズアイ＋導波路構造の機能性

空間デバイス
伝送線路
導波路結合器

回路技術

THz 波

情報の復調
多重通信
高精度THz分光空間伝搬
偏光情報

本技術
• 導波路伝搬• 位相制御…

ブルズアイ••

応用•

信号処理etc.

19

デバイスの構成概要
ストリップライン

ストリップラインの中心からのずれ

細孔

伝搬方向+x伝搬方向-xPort 2金属基板

Port 1
yxyz

上面図

xy偏光

ブルズアイ構造
x偏光

入射電磁波+x方向、-x方向に導波路内を伝わる電磁波の位相調べる

yx
下面図

20

シミュレーション結果

ポート端での位相のずれ

x偏光入射時

逆相
ｙ偏光入射時同相

条件
円孔サイズ：
100 µm
基板材料PEC
ストリップライン
幅:
50 µm
厚さ:
10 µm
基板からの高さ:
35 µm
材料:
PEC
周波数: 2 THz• X偏光、y偏光入射いずれの場合も同じ導波モードで伝搬する• X偏光、y偏光でポート端での位相が逆相と同相になる
同じモード間では波の重ね合わせが成り立つから伝搬波の位相差を入射波の偏光方向によって任意に制御可能

21

シミュレーション結果 その2入射偏光方向を制御した場合

偏光のy軸からの傾き
θ=-11deg

ポート端で９０度の位相差
偏光方向の傾きによって任意の位相差を設定可能

22

応用例
多ポート化

ポート間のスイッチング
Exの位相をx偏光入射時
同相

同相

Ex:Ey = 1:5のまま±90度ずらす

逆相

X方向の偏光成分の位相を90度遅らせた時

ｙ偏光入射時偏光状態により出力先をスイッチ可能

逆相

逆相

X方向の偏光成分の位相を90度はやめた時

同相
線路対中心から分離する場合
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想定される用途• テラヘルツ帯ロックインアンプ– 参照信号の位相の制御に活用• テラヘルツ任意偏光の発生– 逆過程の活用し伝送線路からTHz波を入れて任意の偏光状態のTHz波を発生• 多重通信– 偏光状態ごとにポートを切り替える• アレイ化– 複数を並べることでフェーズドアレイアンテナを形成– ピクセルごとに異なる偏光を受信できるカメラ

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まとめ
薄膜THz波制御デバイス
 非導波型デバイス-メタ表面フィルム状（薄膜）：約50µm厚さ、フレキシブル
 位相フレネルゾーンプレート
T >80%, f=27mm, Thickenss 48mm @ 1THz
 磁気的共鳴効果を介した透明化現象
・スプリットリング構造：透過率６倍 @ 1THz
・パッチ構造：透過率2.7倍 ＠ 1THz
 導波型デバイス-プレーナ型 ブルズアイ・導波路結合系による位相、方向制御
25実用化に向けた課題• 非導波型（フィルムメタ表面）– 量産化、大面積化、高スループットプロセスの確立• 導波型– 実証実験
• デバイス作製– サブテラヘルツ帯の設計• 特性評価の手法の確立• 構造最適化26

企業への期待• それぞれの薄膜デバイスについて– 作成方法の確立：MEMS、フォトリソ技術の応用– 具体的なニーズの提案• 広く電磁波の位相制御技術を求めている企
業との共同研究– 原理的にはマイクロ波、ミリ波へも応用可能• 機械加工での試作

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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：
電磁波制御装置、電磁波制御方法、及び電磁波伝達装置• 出願番号 ：特願2020-030068• 出願人：国立研究開発法人理化学研究所• 発明者：南出 泰亜、大野 誠吾、時実 悠

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お問い合わせ先
株式会社理研鼎業（りけんていぎょう）

戦略企画部 （理研新技術説明会事務局）
E-mail: senryaku@innovation-riken.jp※ 連携に関する窓口は、理化学研究所より委託を受けて実施しております。

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