KARC FRONT未来 ICT 研究所ジャーナル

Vol.

32

2015
WINTER

特集に寄せて未来 ICT 研究所で芽吹いた成果
特集 実用化に向け芽吹いた期待の研究

バクテリアを利用した化学物質センシング技術の開発
先端有機材料での「テラヘルツ波」発生

特集：実用化に向け芽吹いた期待の研究 2

有機非線形光学材料が拓くセンシングと通信の未来

先端有機材料での「テラヘルツ波」発生

未来 ICT 社会でのテラヘルツ波利用
次世代の安心・安全な ICT 社会では、様々なセンサー端末から収集したデータを活用することで、社会活動を効率化したり、社会の危険をい非接触でのセンシングや超高速の無線通信を可能にする

ち早く検知したりすることがますま「テラヘルツ波」の利用を加速することで、これまでにす重要になります。カメラ画像や位ない安心・安全で快適な ICT 社会が実現します。私たち

置情報といった従来型のセンシングは、“有機非線形光学ポリマー” という先端有機フォトニ
クス材料とそれらを用いたデバイスの開発を進めること
で、革新的な小型テラヘルツ光源などの実現を目指しています。

データに加えて、身の回りに存在する様々な「もの（物質や生体物質など）」に関するセンシングデータを利用できるようになれば、より快適で効率的な社会が実現するとともに、社会における危険の検知の精度が大きく向上するものと期待できます（図 1）。
テラヘルツ波は、電波と目に見える光の中間に位置する周波数の電磁波（おおよそ 0.1×1012〜 10×1012ヘルツ（0.1〜 10THz））で、電波のような物体を透過する性質に加えて、光波のように物体と相互作用をする性質をもっています。そのため、テラヘルツ波を用いることで、物体内ナノICT 研究室主任研究員

梶 貴博
Takahiro Kaji

博士
（工学）
略歴

2009 年、大阪 大学大学院 基 礎 工学 研 究科博士後
期 課 程 修 了後、グローバ ル COE 特 任 助 教を 経て、NICTに入所。2015年5月より現職。
研究分野
有機 光デバイス、テラヘルツ分 光、レーザー光 化学
近況
旅行、登山、自転車、写真、尺八演奏などを中心に趣味を拡大中です。

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KARC FRONT vol.32 2015 WINTER

図 1 未来 ICT 社会でのテラヘルツ波利用部の非接触・非侵襲でのイメージす。しかし、現在のところ、波長変導アンテナを用いる方法がありまングが可能になるとともに、物質換の効率がきわめて低いため、テラす。非線形光学材料を用いる方法は、（分子）固有の振動や回転に由来す

ヘルツ測定装置には大きくて高出力

特に、高周波（広帯域もしくは超広る「指紋スペクトル」から物体がどなレーザー光源を搭載せざるを得ず、帯域）のテラヘルツ波の発生や検出、のような物質で出来ているかを識別装置が大きくなっていました。テラ

高強度のテラヘルツ波の発生においすることが可能になります。さらに、ヘルツ測定装置の小型化のためにて頻繁に用いられています。

テラヘルツ波の特徴として、人体には、波長変換の効率を向上させるこ

非線形光学材料を用いたテラヘルとって安全な電磁波である点があげとが重要なのです。また、現在の多ツ波の発生では、2 つ以上の波長成られます。

くのテラヘルツ測定装置は、測定可分を含む強いレーザー光を非線形光

これらの性質から、テラヘルツ波能なテラヘルツ領域が低周波の領学材料に照射します。このとき、光は、セキュリティーや健康、医療、域（0.1〜 4THz 程度）に限られてい差周波混合という 2 次の非線形光学

環境、化学、工業、農業分野などでます。しかし、これよりも高い周波効果により 2 波長のレーザー光のエのセンシング利用が期待されていま数の領域には、物質（分子）に特徴ネルギー（周波数）差に対応したテす。また、電波よりも高い周波数を的な多くの振動モードが存在します。

ラヘルツ波が発生します。2 波長のもつテラヘルツ波は、超高速無線通

そこで、テラヘルツ光源や検出器を連続発振のレーザーを照射すること信での利用が期待されています。

より広帯域化することが、物質の識で、単一周波数のテラヘルツ波が発別の精度を高めることにつながりま

生します。一方、パルスのレーザーす。

光には様々な周波数の光が含まれる

テラヘルツ波の利用が社会で広がるためには、従来は大型で手軽に持ため、発生するテラヘルツ波にもち運ぶことができなかったテラヘルツ測定装置を大幅に小型化、高性能テラヘルツ波の発生と検出の方法様々な周波数が含まれることになり、化することが鍵となります。テラヘ

テラヘルツ波を発生させたり検出広い周波数成分を含む広帯域テラヘ

ルツ波は、多くの場合、レーザー光したりする代表的な方法としては、ルツ波を一度に発生させることがでを波長変換することで発生させま非線形光学材料を用いる方法や光伝きます。

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（a）

（b）

率の効果を考慮したテラヘルツ波の発生に関する性能指数についても、
図 2 （a）ITO 基板上に塗布した非線形光学ポリマー、（b）非線形光学ポリマーの化学構造の例

従来の材料の値を大きく上回ります（図 3）。また、ニオブ酸リチウムやテルル化亜鉛などの無機結晶材料
では、結晶格子の振動による影響で、発生したテラヘルツ波が高周波領域で吸収されて失われてしまうことが発生するテラヘルツ波の帯域を狭める要因となっています。一方、非線形光学ポリマーは、テラヘルツ領域

図 3 テラヘルツ波の発生や検出に用いられる非線形光学材料の比較の広範囲にわたって吸収係数が比較的小さいことから、超広帯域（0.1〜 20THz）でのテラヘルツ波の発生テラヘルツ波の検出に関しても、や検出が可能になります。

非線形光学材料の 2 次非線形光学効

線形光学色素の開発を行ってきまし

そして、高効率なテラヘルツ波の果を利用した電気光学サンプリングた。非線形光学色素は、電子ドナー発生のためには、入射するレーザーと呼ばれる方法などが利用されていと呼ばれる電子を押し出す性質をも光と発生するテラヘルツ波の速度がます。

つ部分と電子アクセプターと呼ばれ一致していることが重要になります。

別の原理に基づく単一周波数のテる電子を引き付ける性質をもつ部分、これを位相整合といいます。ニオブ

ラヘルツ光源として、エレクトロニそれらをつなぐ π 共役系によって酸リチウムなどの無機結晶では、光クスの技術に基づいたテラヘルツ量構成されます。私たちは、この電子領域での屈折率とテラヘルツ領域で子カスケードレーザーの開発が進めドナー部分にアルキルオキシ基といの屈折率が大きく異なるため、位相られています。テラヘルツ量子カス

う官能基を付与することで、非線形整合の達成には、周期構造を導入しケードレーザーは、電流注入によっ光学特性の指標となる超分極率と呼たり、結晶への光入射の角度やレーてテラヘルツ波を直接発振できるこ

ばれる値がこれまでの非線形光学色

ザーパルスの波面の角度を調整したとに加えて、高出力という利点があ素に比べて 1.3 から 1.4 倍程度大きりするなどの工夫が必要でした。一ります。現在、冷却器が不要な小型くなることを見出しました。

方、非線形光学ポリマーは、光領域このような非線形光学色素とポでの屈折率とテラヘルツ領域での広リマー（有機分子の重合体）からな範囲にわたる屈折率がほとんど同じる非線形光学ポリマーは、テラヘであるため、位相整合を容易に達成

非線形光学ポリマーを用いたテラヘルツ波の発生や検出のために従来することができます。

ルツ技術用いられているニオブ酸リチウム

さらに、無機・有機の非線形光学

私たちは、テラヘルツ波の発生や（LiNbO3）や テ ル ル 化 亜 鉛（ZnTe）

結晶材料は、微細加工が難しいこと検出に用いる新しい非線形光学材料などの無機の非線形光学結晶やから、光の閉じ込めによりテラヘルとして、非線形光学ポリマーというDAST などの有機の非線形光学結晶ツ波の発生効率を高めることができ

先端有機フォトニクス材料の開発をと比較して、大きな電気光学係数る導波路デバイスなどの作製が容易進めています（図 2）。

（>100pm/V）をもち、材料の屈折ではありませんでした。非線形光学光源の実現に向けて研究が進められています。

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私たちは、これまで、高性能な非KARC FRONT vol.32 2015 WINTER

特集：実用化に向け芽吹いた期待の研究 2（a）（b）ポリマーは、微細加工プロセスによる導波路デバイスの作製が容易であるため、テラヘルツ波の発生効率を飛躍的に高めたデバイスを実現できます。
図 4 （a）テラヘルツ波発生の評価装置、（b）非線形光学ポリマーから発生したテラヘルツ波の時間波形

1.5μm帯レーザーを用いたテラヘルツ波の発生
小型のテラヘルツ光源の実現には、波長変換デバイスに加えて、もとにみに比例したテラヘルツ電場強度が域に存在することが、これまでの研得られることが分かりました。

究で明らかになっています。発生しなるレーザー光源が小型であることより小型で低出力のレーザー光源たテラヘルツ波の吸収ロスをさらにが重要です。私たちは、小型半導体を用いたテラヘルツ波の発生を実証減少させるため、テラヘルツ領域にレーザーや小型ファイバーレーザーするため、パルス幅 100fs の 1.5µm吸収をもたないポリマー材料を用い（エルビウムドープファイバーレー

帯小型エルビウムドープファイバー

た非線形光学ポリマーの開発を進めザー）で発振が可能であり、様々なレーザーを用いた実験を進めました。ています。

光通信技術が利用可能な波長である

その結果、1.5µm 帯レーザーを用

また、テラヘルツ波の発生効率を1.5µm 帯のレーザー光を用いたテ

いた弱ポンプ光強度条件下での非線さらに高めた新規デバイスの開発がラヘルツ波発生デバイスの開発を進形光学ポリマーからのテラヘルツ波重要です。私たちのグループでは、めています。の発生に成功しています。

超高速光変調器の実現に向けて有

私たちは、電圧を印加することテラヘルツ波の発生効率をさらに機・シリコンハイブリッドデバイスで非線形光学色素の向き（配向）を高めるために、微細導波路構造を用の開発を進めていますが、この技術そろえた非線形光学ポリマー膜をいたテラヘルツ波発生デバイスの開を応用することで、さらに高効率な作製し、波長が 800nm でパルス幅発を進めています。さらに広帯域でテラヘルツ波発生デバイスを実現す秒）のテラヘルツ波の発生に向けて、よることができます。また、テラヘルのフェムト秒チタンサファイアレーりパルス幅の短い 1.5µm 帯超短パツ波の検出器に関しても、非線形光ザーを照射することで、テラヘルツルスファイバーレーザーを用いた実学ポリマーを用いたデバイスにより、波が発生することを確認しました

験を進めています。

検出感度の大幅な向上が実現できまが 100fs（ フ ェ ム ト 秒、10− 15（図 4）。さらに、フェムト秒チタン
サファイアレーザーからのレーザーす。
今後の研究展開

このように、私たちは、材料とデ光を光パラメトリック増幅により波高性能なテラヘルツ装置の実現にバイスの両面から研究開発を進める

長変換することで発生させた波長向けて、デバイスの開発だけではなことで、これまでになかった小型で1.5µm のレーザー光を照射するこく、非線形光学ポリマー材料の開発

高性能なテラヘルツデバイスの実現とで、テラヘルツ波を発生させるこが重要になります。現在、非線形光を目指しています。これにより、テとに成功しました。使用した非線形学ポリマーのポリマー骨格として、ラヘルツ波のセンシング利用と無線光学ポリマーは、波長 1.5µm 付近

ポリメタクリル酸メチルを用いてい通信利用の社会普及が大きく進展し、では、非線形光学色素による吸収がます。しかし、ポリメタクリル酸メ

これまでにない安心・安全で快適なほとんどないことから、光吸収によチルのメチル基などの振動や回転にICT 社会が実現するものと期待してるレーザー光の損失なしに材料の厚由来する吸収ピークがテラヘルツ領います。

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