特集

テラヘルツ技術特集

特集

2 総論：NICT テラヘルツ技術開発の位置付け及び展望
2 General Discussion: Position and Prospect ofResearch and Developments for the Terahertz
Technology in National Institute of Informationand Communications Technology (NICT)

：総論

寳迫 巌
HOSAKO Iwao
要旨
テラヘルツ帯と呼ばれる電磁波の利用技術に関する研究開発が活性化し、大学、国立研究所、ベンチャー企業だけでなく、今や大手企業も研究開発に参入しつつある。テラヘルツ帯電磁波を用いたセンシングやイメージングが産業や社会生活の様々な場面で役に立つということを示す実施例は枚挙にいとまがない。また、テラヘルツ帯の超高周波特性を生かした高ビットレートの極短距離−無線技術に関する議論も始まろうとしている。今やテラヘルツ帯技術応用のすべてを網羅しようとする試みは不完全なものに終わるであろう。2005 年 3 月総務省の「テラヘルツテクノロジー動向調査報告書」や2007 年 8 月 Fuji-Keizai USA Inc. の「21 世紀テラヘルツ波技術に関する調査」によると、規模の差こそあれ、テラヘルツ技術の市場規模は右肩上がりで上昇すると予測されている。このような背景の下、情報通信研究機構では 2006 年 4 月より「テラヘルツプロジェクト」をスタートした。テラヘルツプロ
ジェクトでは、様々な分野への応用が広がりつつあるテラヘルツ技術の国レベルの基盤技術を作り出すことを目的としている。基盤技術としては、小型高性能デバイス及び計測システム、高精度光源、大気伝搬モデル構築、材料分光データベース構築、測定手順の標準化等を含む。本特集では、半導体デバイス技術、システム技術、データベース、大気伝搬など情報通信研究機構が自ら行っている研究開発や、委託研究として外部機関が実施している研究開発について、現在までに得られた成果を報告する。これにより、今後のテラヘルツ技術の発展にとって何が重要かといった視点から、当該プロジェクトの目指す方向を示す。

Active research and development are now progressing on the application of electromagnetic
waves known as terahertz waves. Universities, national research institutions, venturecompanies, and even major corporations are now beginning research and development in thisarea. Many examples demonstrate the usefulness of sensing and imaging with terahertz waves
in various aspects of industry and society. Discussions have also begun on new high-bit-rate
ultra-short-distance wireless technology that takes advantage of the ultra-high-frequency
characteristics of terahertz waves. At this stage we cannot even imagine the eventual numberand kinds of terahertz applications that will emerge. According to the March 2005 “Terahertz
Technology Trend Report” of the Ministry of Internal Affairs and Communications and the“Terahertz Technologies, R&D, Commercial Implication and Market Forecast” of Fuji-Keizai USA
Inc. issued in August 2007, the question is not whether the market for terahertz technology will
increase – it inevitably will – but by how much. Given this background, the National Institute ofInformation and Communications Technology (NICT) launched its “Terahertz Project” in April
2006. The Terahertz Project aims to develop fundamental terahertz technologies at the nationallevel for expanding applications in diverse fields. These fundamental technologies include thoseincorporated in small high-performance devices and measurement systems and high-precision

3NICT
テラヘルツ
技術
開発の位
置
付
け及び展
望特集

テラヘルツ技術特集

light sources, as well as those required in the construction of an atmospheric propagation
model, the construction of spectral databases of materials, and the standardization ofmeasurement procedures. This special issue reports on the achievements obtained to date inindependent research and development conducted directly by NICT (including semiconductor
device technology, system technology, databases, and atmospheric propagation) as well as incontract research undertaken by external organizations. In this discussion, we indicate thedirection in which each project is heading, in view of the important benchmarks in the future
development of terahertz technology.
［キーワード］テラヘルツ帯電磁波，半導体デバイス，テラヘルツ時間領域分光法，分光データベース，大気伝搬モデル
Terahertz-wave, Semiconductor device, Terahertz time domain spectroscopy, Spectral database,Atmospheric propagation model

1 まえがき低下している。この図を見ると両者の境界はちょうど 1.5 THz 付近にあるように見え、この境付近

電波法では、電波を、「電波」とは、三百万メでは半導体デバイス（テラヘルツ帯量子カスケーガヘルツ以下の周波数の電磁波をいう。 と定義

ドレーザを除き）による発振器の出力は著しく小している。すなわち、3 THz（＝三百万メガヘルさい。このように物理法則の定める現象もテラヘツ）を境にして、これ以下の周波数の電磁波を電ルツ帯を境にして古典論と量子論が入れ替わって波と言い、3 THz 以上の電磁波は慣用的に「光」といるように見え、それが原因となって、テラヘル呼んでいる。テラヘルツ帯電磁波の定義に定まっ

ツ帯では高出力の発振器がなかったと考えられたものはなく、人によって多少の違いがあるが、る。この領域は テラヘルツギャップ と言われておおむね 0.1〜10 THz の周波数範囲で 2 けたにわおり、このギャップを解消する光源デバイスの出たる電磁波としてよい。すなわちテラヘルツ波は、現がテラヘルツ帯開発の鍵になると考えられる。

ミリ波（〜300 GHz（波長λ＝1 mm））をその下端にまた、このテラヘルツ帯のエネルギーは、固体含み、従来はサブミリ波と呼ばれていた電波の上物質の様々な素励起、分子の回転モード、巨大分限周波数領域（300 GHz〜3000 GHz（＝ 3 THz、波子の内部振動モード、水素結合・ファンデルワー長λ＝0.1 mm））
、光の下端領域（3 THz〜10 THz（波長λ＝30μm））を含む電波と光の境界領域を指している。
法が定める人為的な電波と光の境界にテラヘルツ波はあるが、自然が定める電磁波の境界もテラヘルツ帯にあるように思われる。例えば、半導体デバイスによる発振器の最高出力と周波数の関係を図示すると図 1 のようになる。図の左側はトランジスタや、各種 2 端子素子（ガンダイオード、共鳴トンネルダイオード、…）など、半古典論的な電子の輸送現象に基づく電子デバイス発振器の発振周波数と出力の関係であり、高周波になるに従って、急激にその出力が低下している。一方、
図の右側は、量子論的な電子の光学遷移に基づく半導体レーザの出力と周波数の関係であり、周波数（光のエネルギー）が下がるに従ってその出力が4情報通信研究機構季報Vol.54 No.1 2008

図1

半導体素子の連続波出力と周波数の関係
2 THz を中心にして、いわゆる THz−Gap が存在
し、高出力デバイスを実現するのが困難。

ルス結合などのエネルギーに相当するため、様々便物検査などが挙げられる。ここに挙げた例は、な物質・材料がこの領域で特有のスペクトル（い測定にかかるコスト（機器の価格や測定時間）が高わゆる指紋スペクトル）を持つ。さらに室温の熱くても、実用化が見込まれる例であるが、測定機エネルギーはテラヘルツ帯にある。したがって、器の価格、使い勝手などが改善されれば、このほ工学応用上重要な分光分析技術として、また、サかにも様々な領域で用いられる可能性がある。そイエンスとして非常に興味深い領域でもある。のためには、テラヘルツ帯機器の低価格化、小型化、ロバスト化（フィールド利用可）といった点や、域分光法（THz-TDS）が開発され、非線形光学にテラヘルツ帯での分光分析を可能にする分光デー

よる単色チューナブルなテラヘルツ帯光源、さらタベースの整備、機器仕様を定めるときに重要とに、高輝度な小型半導体光源（テラヘルツ帯量子なる大気伝搬モデル構築、測定値の絶対値や精度カスケードレーザ）が実現したことにより、従来を保証するための測定手順整備やトレーザビリは科学研究だけに用いられていたテラヘルツ帯電ティーの確保などが今後ますます重要となってく磁波を、身近な分野での様々な応用に利活用できる。NICT においては、このような点を踏まえ、る可能性が見えてきた。これら新技術の開発に伴以下に示す項目の研究開発を実施している。

い、様々な分野（材料分析、セキュリティー、医療、医薬、バイオ、農業、工業、通信、科学計測）

2.1

半導体デバイスでの応用デモンストレーションも実施されてきて半導体デバイスの一般的な特徴は、小型で適度いる。様々な分野への応用が広がりつつあるテラなパワーを扱え、量産によって著しく価格を下げヘルツ技術の国レベルの基盤技術を作り出すことられる可能性があるという点にある。多種多様なを目的として、小型高性能デバイス及び計測シス

テラヘルツ帯の光源の中でも、このような特性をテム、高精度光源、大気伝搬モデル構築、材料分持つものはテラヘルツ帯量子カスケードレーザを

光データベース構築、測定手順の標準化等の研究おいてほかになく、このレーザの開発が、テラヘ開発を情報通信研究機構の自ら研究で実施していルツ技術の普及という点で重要であると言える。

る。いずれもテラヘルツ技術の普及に不可欠の要

テラヘルツ帯量子カスケードレーザの研究開発に素と考えられるが、大学や企業においては実施がおいて日本は後発であるが、日本国内においては困難なものである。また、委託研究においては、NICT が先発し開発に成功した。半導体をエピ成自ら研究との緊密な連携の下、災害時などに有用長で十数ミクロンさせる必要があることや、高感なスタンドオフ（リモート）分光センシングシス

度な発振特性測定には従来の液体寒剤冷却型検出テムやカメラシステムの開発を実施している。本器が必要であることなど、技術やコストの面で困特集においては、現在までに得られた自ら研究、難な点が多くあり、また、テラヘルツ技術の市場委託研究の成果を報告する。3 章以下の各論に先規模がまだ確実には見えてこないといった状況で立ち、本稿では、各章に記述されている技術の研あったため、大学や企業での研究開発には不向き究開発項目の位置付けを述べたい。これにより、で困難な点が多くあった。したがって国研での研今後のテラヘルツ技術の発展にとって何が重要か究開発が重要となる項目であると言える。

といった視点から、当該プロジェクトの目指す方向を示す。

一方、テラヘルツ帯の検出器開発も重要な項目であるが、こちらに関しても大学や企業での研究開発はあまり盛んではない。検出器の中でも応用

2 各研究開発項目の位置付け上重要と思われるものは、常温動作（〜300 K）・高感度（雑音等価入力 NEP〜10−14W/Hz1/2）・大規

現在までに、様々なテラヘルツ帯技術応用を目模アレイ（素子数＞100×100）検出器である。この指した研究開発・デモンストレーションが行われ検出器があると、常温物体（〜300 K）からの黒体てきている。数年以内に実用化が期待されるもの

放射のテラヘルツ帯成分をとらえ瞬時に映像化でとしては、例えばセキュリティー関連では、空港きる テラヘルツカメラ を実現できる。このようや重要施設における旅客スクリーニング、国際郵なカメラの実現には、素子集積化技術に優れる半5総論：

近年、新しい分光手法としてテラヘルツ時間領特集NICT
テラヘルツ
技術
開発の位置付け及び展
望特集

テラヘルツ技術特集

導体技術が重要である。しかしながら、上記仕様確立を目指して、光通信帯のデバイス技術を用いの実現は大変困難であると思われるため、自ら研た超短パルス光源の開発を行っている。この光源究においては常温動作をあきらめ、高感度（雑音を用いたテラヘルツ帯時間領域分光は、高精度・等価入力 NEP〜10−14W/Hz1/2）・大規模アレイ（素安定・小型といった特徴を備えられると考えてお子数＞100×100）検出器によるテラヘルツカメラり、テラヘルツ帯時間領域分光装置を研究室からを目指した半導体量子井戸型検出器の開発を実施

持ち出しフィールドで使えるものになると期待ししている。また、委託研究においては、中赤外帯ている。

で実績がある非冷却マイクロボロメータアレイ検

ミリ波帯イメージング技術の発展が近年著し出器をテラヘルツ帯向けに改良することによっい。通信や車載レーダを主な応用と考えていたミて、照明用補助光源を用いた常温動作・スタンドリ波技術が新たな活路を見いだした結果であるとオフ−カメラシステムの開発を目標として研究をも言え、セキュリティー分野では特に期待されて進めている。照明用補助光源としては自ら研究でいる。上記に示したようなパルス状テラヘルツ波

開発しているテラヘルツ帯量子カスケードレーザ技術ではなく、ミリ波技術の素直な延長（＝高周を用いることも検討中である。

波化）としてのテラヘルツ技術も大きな可能性を秘めている。高周波化により、見えるレンジ（距2.2分光・イメージングシステム

離）は大気吸収などのために短くなるが、空間分テラヘルツ帯の分光・イメージングを著しく簡解能は高くなる。したがってシステム研究をミリ易に、しかも良い S/N 比で得られるようになっ波帯で実施しておき、デバイス技術の高周波化をたのは、テラヘルツ帯時間領域分光法が発明・開待ってテラヘルツ帯イメージング技術として利用発されたためである。特に従来のフーリエ分光法を進めるという方策も可能である。このような観では良い S/N 比を得ることが難しかった帯域

点から NICT においては既存のテラヘルツ帯への（数百 GHz〜数 THz）において、液体寒剤を用い拡張が期待できる近接場を用いたミリ波イメージる高感度検出器を用いることなく、短時間でダイング技術の開発を行っている。

ナミックレンジが大きい測定をできるようになった意義は大きい。また、複素誘電率を求める際に2.3

材料−分光データベース

フーリエ分光法では必要であったクラマース・ク

様々な物質に特有の 指紋スペクトル がテラヘ

ローニッヒ変換を用いることなく、測定された振ルツ帯にあるという点が、この帯域の大きな特徴

幅と位相情報から複素誘電率を直接導き出せるとである。既に分光分析技術が成熟し様々な用途にいった点も、この方式の持つ有利な特徴として挙用いられている X 線〜中間赤外の領域では、分げられる。日本国内においては、通信総合研究所

光データベースが整備されており、産業や利用分（CRL：NICT の前身）の関西先端研究センター

野ごとに仕分けされ、必要に応じて入手できる状（KARC）においてテラヘルツ帯時間領域分光法の態にある。一方、テラヘルツ帯においては、純粋研究開発が 1990 年代に開始され、そこで開発さ物質に関しては昔からの蓄積があるが、様々な分れた技術を基に大学や企業におけるテラヘルツ帯野に対応した材料の分光データベースは無く、テ時間領域分光法の研究開発へと波及した。

ラヘルツ帯の研究開発にかかわる個別の機関がそ

テラヘルツ帯時間領域分光法の帯域は、励起パれぞれの目的に応じてデータの蓄積を行っているルスレーザのパルス幅によっており、短いパルス段階である。NICT においては、ある特定分野の励起レーザを用いると広帯域のテラヘルツ信号（西洋古典絵画材料）にかかわる分光データベースを得ることができる。現在、NICT においては、を整備し、このデータベースを用いてできる分析広帯域特性を維持しつつ安定な動作が期待できる例を示すことによって、テラヘルツ帯分光データ

帯域十数 THz のテラヘルツ帯時間領域分光シスベースの有効性を示した。さらにデータベースをテムの開発を行っている。また、帯域は 2 THz公開し、このデータベースへの参加を世界に呼び程度と狭いが、測定対象に合わせて柔軟にシステかけている。データ収集の過程においては、デームを構成できるテラヘルツ帯時間領域分光技術のタの 精度 などが問題となってくる。 精度 を保6

情報通信研究機構季報Vol.54 No.1 2008

証しデータベースの信頼性を上げるためには、測スの遠隔検出手段として、テラヘルツ帯のリモー定手順や校正用試料の標準化などが必要となってトセンシング技術に期待が寄せられている。地上くる。データベースを通じたネットワークを世界で利用できるリモートセンサーとして、被災害現中に広げ、その中で測定手順の標準化に関する議場などに発生する有毒ガスを離れた地点から検知論を進めていくことで、テラヘルツ帯分光技術のできるテラヘルツ帯リモートセンサシステムの研利用価値を高めることができると考えている。

究開発が委託研究において行われている。光ファ特集

イバ通信用に開発されてきたデバイス・システム
2.4

電磁波伝搬モデル構築

技術やその周辺技術を用いて、連続波のテラヘルツ電磁波（＜1 THz）を発生させ、反射波を高感度テラヘルツ帯電磁波が大気中を通過する様々なテ検出器によって検出することで、電磁波の経路にラヘルツ帯計測システムの設計に必須な重要項目ある有毒ガスを検知する。テラヘルツ電磁波の周である。電磁波の大気透過特性を見ると、ちょう波数は原理的に可変であるため、このリモートセ

どテラヘルツ帯に非常に大きな吸収があり、このンサシステムは、有毒ガス検知以外にも様々な危吸収のためテラヘルツ帯は通信等には使えない電険物質の検知、分光分析、イメージングなど応用磁波であるとの認識が一般的であった。テラヘル範囲が広い技術である。

ツ帯における大気吸収は水分子による吸収線と一方、デバイスや計測システム技術が未成熟でコンティニュウム と呼ばれる大きな山から成っあったため、テラヘルツ帯を用いた地球環境計測ている。これらの吸収も自然が示す電波と光の間はこれからの課題である。そのため、現状もしくにある テラヘルツギャップ の一つである。これは将来に開発が期待できるデバイスや計測システらの特性を精度良く模擬する伝搬モデルは現状でム技術を基にした観測システムを構築するため、存在しない。電波伝搬モデルや光伝搬モデルのテ放射伝達モデルや宇宙ステーションからの観測

ラヘルツ帯への拡張がよく用いられているが、そフィジビリティー研究を行っている段階にある。

れぞれのモデルが示すテラヘルツ帯での伝搬特性

また、伝搬特性モデル構築のために取得したデーは、互いに一致せず、また実測値とも一致していタは、地球以外の惑星大気シミュレーションにもない。これまでテラヘルツ帯での光源・検出器技利用でき、実際の観測データなどから、テラヘル術が未成熟であったために、吸収線に関する精度ツ帯を用いた惑星観測の重要性なども浮かび上がの良い測定がなされてこなかったこと、 コンりつつある。このような目的に利用されるリモー

ティニュウム に関しては測定自体が困難であっトセンサーの実現には、局部発振器としてのテラたことが原因で、大気伝搬に関する理解が進んでヘルツ帯量子カスケードレーザの開発とともに超いなかった。このため上記のように伝搬モデルが伝導ミキサーの開発が重要であり、未来 ICT 研ないという事態になっている。以上の問題点を解究センターとの協力の下にその開発を実施してい決して、どの帯域であれば、どのくらいの距離をる。

伝搬するのかといった点を明らかにすることが重要である。完成したテラヘルツ帯大気伝搬モデル

3 まとめ

は、テラヘルツ帯を一まとめにして「利用できない領域」とする一般常識を打破し、「用途によってNICT では今後の技術発展や応用のための基盤は利用できる帯域もある」というように常識を改となる技術や研究：テラヘルツ帯量子カスケードめることに役立つと期待している。NICT におい

レーザ技術、テラヘルツ帯量子井戸型検出器技術、てはモデル構築のためのデータ収集として、テラテラヘルツ帯時間領域分光システム技術、ミリ波ヘルツ帯時間領域分光法を用いた大気透過率測定イメージング技術、テラヘルツ帯材料データベーを実施している。

ス、テラヘルツ帯大気伝搬モデル、テラヘルツ帯地球環境計測へのフィジビリティー研究、超伝導2.5

リモートセンシング

地球環境計測の手段として、また危険物質やガミキサー研究、などを自ら研究として行っている。
また、委託研究では汎用性の高い技術として、非7：

テラヘルツ帯電磁波の大気伝搬モデル構築は、総論
NICT
テラヘルツ
技術
開発の位置付け及び展
望特集

テラヘルツ技術特集

冷却マイクロボロメータアレイ検出器を用いたテ

テラヘルツ帯を用いた通信技術が出てくるかとい

ラヘルツ帯カメラシステムや有毒ガス検知が可能えば、それは「市場がそういったものを求めていとなるリモートセンサシステムの開発を行っているかどうかによる」としか言い様がない。しかしる。テラヘルツ帯技術は日々進歩しつつあるが、ながら、半導体デバイス技術や光ファイバ通信技いずれの項目も今後のテラヘルツ技術応用の基盤術のテラヘルツ帯への適用などによって、テラヘや種となる技術と位置付けられる。

ルツ帯機器の小型・高性能化が進展することは間ミリ波帯では応用としてまず通信があり、その違いなく、そのような展開の先にテラヘルツ帯通後レーダ技術に展開し、さらに新たな活路として信があるかもしれない。近距離無線の標準化を進イメージング技術が出てきた。ミリ波より更に高める米国の IEEE802.15 WPAN 委員会が新たな検周波のテラヘルツ帯ではまず分光分析技術応用が討部会として Terahertz Interest Group（IGthz）

先行し、その後イメージング技術に展開した。二を 2008 年 1 月に立ち上げたことは注目に値する。

つの電磁波帯域が持つ物理的な性質の違いが明ら

NICT が進める研究開発項目に関しては以降のかに出てきたものである。ミリ波帯にはいわゆる章で詳細が述べられている。ご一読いただきご興

指紋スペクトル が少ないため、ミリ波帯を分光味を持っていただければ幸いである。

分析に用いることはあまりなさそうである。一方、

ほう さこ

寳迫

いわお

巌

新世代ネットワーク研究センター光波量子・ミリ波 ICT グループ 研究マ
ネージャー 博士（理学）
テラヘルツ帯半導体素子とその計測応用

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情報通信研究機構季報Vol.54 No.1 2008