テラヘルツテクノロジーの現状と展望

谷 正彦

福井大学 遠赤外領域開発研究センター

近畿総合通信局 産学官連携セミナー、テラヘルツテクノロジーフォーラム共催研究会「テラヘルツテクノロジーと超ブロードバンド情報通信の展望 」

日 時：２０１１年６月２７日（月）１３：００～１７：５０

場 所：大阪大学豊中キャンパス∑（シグマ）ホール

1. はじめに: テラヘルツテクノロジーのめざすもの

2. THz光源技術

・半導体固体発振器：共鳴トンネルダイオード

・THz-QCL・高出力差周波発生

・広帯域 Photomixing3. THz検出器技術

・長波長動作光伝導アンテナ

・ノンコリニアEOサンプリング

4. 導波路・伝送技術

・平行平板導波路：THz波の超集束

5． まとめ：今後の課題

概要

応用物理学会でのTHzテクノロジー関連発表件数

0102030405060708090

Pape

rs

Year

日米欧のTHzテクノロジー関連特許登録数

2000 2002 2004 2006 2008 201005

101520253035404550

Pate

nt R

egis

tratio

n

Year

Japan USA Europe

総務省 平成23年度電波資源拡大のための研究開発に係る提案の公募の結果(2011年6月17日発表、6件採択)「超高周波搬送波による数十ギガビット無線伝送技術の研究開発」2．4億円程度、5か年日本電信電話株式会社富士通株式会社独立行政法人情報通信研究機構

JST 研究成果展開事業（産学共創基礎基盤研究プログラム）の

技術テーマ「テラヘルツ波新時代を切り拓く革新的基盤技術の創出」における新規研究課題決定(2011年6月14日発表）12件採択テーマ支援期間：最長10年研究期間：原則２年研究費：１課題あたり最大３千万円／年程度

日本における最近のTHzテクノロジー関連助成事業

テラヘルツイノベーションが目指すもの

テラヘルツイノベーション

非破壊検査

デバイスコンポーネント

運輸

半導体

テロ対策

高品質製品

食の安全

医療

エネルギー

環境

情報通信

農業・食品

製薬・創薬

美容・健康

バイオ

（分子機能制御、細胞活性化）

高度医療（バイオチップ）

既成産業の高効率化，低コスト化

テラヘルツ産業の創出

生活への効果

インフラ保全

温暖化モニタ

新薬開発品質管理

健康増進

農作物収率向上バイオエネルギー

大容量無線通信遠隔医療

分子機能制御 大容量データ無線通信

セキュリティゲート

異物検査

テーラーメード医療

プラスチック製品検査

製薬・創薬

遠隔医療

分子生物的検査

基礎研究への要望・期待

7

1. 広帯域・高強度テラヘルツ光源の開発・レーザー励起テラヘルツ波光源の高出力・広帯域化

・半導体デバイス光源の高出力・広帯域化

2. 高感度テラヘルツ検出器の開発・高感度・高速室温動作の検出器・イメージングデバイス

・導波路，メタマテリアル，フォトニック結晶等を用いた高感度・

高機能検出器技術

3. 安価で小型の分光・イメージングシステムの基盤技術開発・可搬型のフィールド用分光／イメージングシステム要素技術

・安価な光源・検出デバイスの要素技術

・テラヘルツ波の伝搬・制御・変調技術

4. 新たな応用探索、基盤整備・学際的な研究開発の推進

・他の光源・センシング・情報通信技術との融合

・データベース・計測標準の確立

・半導体固体発振器：共鳴トンネルダイオード

・THz-QCL

・高出力差周波発生

・広帯域 Photomixing

2. THz光源技術

9

1 10 100 1000

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103 T=700K T=300K T=77K

Bla

ck b

ody

emitt

ance

(a.u

.)

Wavelength λ (μm)

黒体からの熱輻射とPlanckの輻射公式

][/89.2][ Kmm Tm =λウィーンの変移則

λm

P(λ)

約10μm(室温)

λm：ピーク波長[mm]

1)/exp(12)( 5

2

−=

TkchhcP

Bλλλ

（波長λにおける単位面積，単位時間，単位立体角，あたりの放射強度）

THz領域

物体表面に放射エネルギーが入射したときの吸収率α、反射率ρ、透過率τとすると，エネルギ保存即より次の関係が成立する。

α＋ρ＋τ＝1

また、放射率と吸収率の間には次の関係が成り立つ

ε＝α キルヒホッフの法則

すなわち、放射エネルギーを吸収しやすい物体は同時に放射しやすい。これをキルヒホッフの法則という。

一般の物質からの放射エネルギーと放射率

一般の物質からの放射エネルギーW’は理想的な黒体輻射によるエネルギーWにと放射率(Emissivity) εをかけたもので表される。

ε = W‘ / W 放射率の定義 （0～１の値を持つ）

テラヘルツ電磁波を発生させるのが難しい理由

（1） 電気回路に抵抗Rと容量CがあるとRｘCで決まる時定数よりも早く電流を変調することができない。

（2） 可視，近赤外域のようにレーザー発振しやすい物質がない。（ただし，近年量子カスケードレーザーという，人工的な物質（半導体量子構造）を用いた新しいレーザーが発明され，テラヘルツレーザーが実現された）

（3） 発生するのと同様，テラヘルツ電磁波を検出することが難しい。

テラヘルツ電磁波を発生させるためには非常に早く電流を変調する必要がある。しかし・・・

自由電子レーザー性能要求

高輝度小型・簡便性コスト波長可変性

規模（コスト）

輝度

シンクロトロン放射

炭酸ガスレーザー励起分子気体レーザー

後進波管

単色

広帯域

高圧水銀灯

黒体輻射

固体発振器

QCL

差周波発生

テラヘルツ帯光源のいろいろ

Gyrotron

光伝導アンテナ

Suzuki et al, APL 97, 242102 (2010)：東工大 浅田研

共鳴トンネルダイオードの室温での1THz超基本波発振

GaInAs/AlAs double-barrier resonant tunneling diodes7uW @1.04THz, 10uW @0.9-1 THzFrequency tunability ~4%

共鳴トンネルで負性微分抵抗発生高周波化は寄生容量とTransit Timeを小さくすることがカギ

Scheller et al, Optics Express 18, 27112 (2010)

共振器内差周波発生による高出力CW-THz波発生

Intra cavity 2波長VECSEL完全CW-THzmWレベル(1.9THz発振で2mW以上)

Optics Express 16, 7493 (2008) Optics Express 17, 6676 (2009)Optics Express 18, 3338 (2010)

プリズム結合型チェレンコフ位相整合によるCW-THz波の差周波発生 （名古屋大 川瀬・水津グループ）

図2. DAST結晶によるTHz差周波発生.

放射角θcladは励起レーザー波長の非線形結晶中の屈折率とプリズムのTHz帯屈折率で決まる。

THz

optclad n

n≅θcos

図1. チェレンコフ位相整合と

プリズムによる空間結合の模式図

Brenner et al, Opt. Lett. 35, 3859 (2010)

CW-THz-TDS system with a multi-mode LD

Fourier-transform external-cavity laser (FTECAL) + amplifier

量子カスケードレーザー(Quantum Cascade Laser)サブレベルのエネルギーは量子井戸の幅で決まる（E3

－E2) 発振波長の制御

ゲインが低いので多層にする電子のリサイクル。

電子遷移のみを使う(正孔は使わない）

同じ伝導帯の準位間の遷移、かう非常に高速な非発光遷移過程に起因してスペクトル幅が非常にシャープ

温度にあまり影響されない発振が可能

となりの井戸の準位への遷移は障壁幅dが狭いほど効率がよい。しかし、上位準位の寿命が短くなる(Trade-off)。

THzの閉じ込め機構 金属、フォノン反射など

長波長限界は量子レベルの幅で決まる。できるだけ界面を平坦にして界面での散乱を減らす。

d大

τ3大

d小

μ32大

Miniband(injector)

d

minigap3

21

Active region

Lasing condition: τ3 > τ2

3-well system

Miniband(injector)

d

minigap3

21

Active region

Lasing condition: τ3 > τ2

3-well system

E2-E1をLOフォノンに共鳴させ、E2の電子を高速に引き抜く

THz帯量子カスケードレーザーの例

R. Köhler et al., Nature 417 (2002) 156

GaAs/AlGaAsへテロ構造2mW@4.4THz（<50K)

LOフォノン散乱を反転分布機構として使えない光学フォノンより下の周波数での達成は画期的だった。ー＞2重表面プラズモン（<ε)による閉じ込めを採用。

THz-QCLの状況

Qin Hu’s group at MITQCL @1.6 THz (187um) (Walther et al, APL 89, 231121 (2006))

＠1.2THz(250um) (Walther et al, APL 91, 131122(2007))⇒ 磁場印加によりさらに長波長化し，0.85THzでの発振を確認

パルス発振：189K@3.9THzCWは発振：117K

III-V族系半導体の光学フォノンの吸収帯5～12THzでの発振が困難だったが、Si/SiGe系のQCLによりこのギャップも埋まる可能性がある。

長波長発振

ハイパワー化

高温動作

＠4.4THz パルス発振： 248mWCW発振：138mW(Electronics Letters 42, 89(2006）)

3. THz検出器技術

・長波長動作光伝導アンテナ

・ノンコリニアEOサンプリング

テラヘルツ帯検出器

検出器の性能・感度・帯域・低温冷却の有無・応答速度

感度

ボロメーター（Si, Ge, InSb,など)

焦電検出器（DTGSなど)ゴレーセル

室温

動作温度

ショットキーバリアダイオード

光伝導検出器（Ge:Ga)

従来の検出器は冷やさないと感度が得られないのが大きな問題。

検出器の特性について

・Responsivity（R）Rv = Vo/P [V/W], Vo:出力電圧[V], P:入射パワー[W]

・Detectivity(D)D = Rv/Vn [1/W]， Vn：ノイズ電圧[V] またはVn [W/Hz1/2]

・ NEP(Noise Equivalent Power ) NEP=1/D/Δf1/2 = [W/Hz1/2, BW-1Hz] , Δf1/2:検出帯域

・比検出能(specific detectivity)D * = Ad

1/2/ NEP [cm Hz1/2/W, BW-1Hz], Ad:検出器面積

・熱雑音（Johnson noise)：

・ショット雑音：

fkTRΔ= 42υ

feIi dcΔ= 22

ノイズの種類

感度の指標

NEP [W/Hz1/2] 動作温度、応答速度

焦電検出器 ～10-9 室温動作，応答遅い

GolayCell ～10-10 室温動作，応答遅い

ｼｮｯﾄｷｰﾊﾞﾘｱﾀﾞｲｵｰﾄﾞ

10-10 ～10-11 室温動作可能，冷却によりSNR向上

ボロメーター ～10-13 液体He温度以下

光伝導検出器

（Ge:Ga)～8.5x10-16 @4.2K～2x10-17 @2K

液体He温度以下

単一電子デバイス ～10-22 <0.1K 極低温動作，単一光子検出可能

各種検出器のNEP比較

光伝導スイッチ素子模式図

フェムト秒レーザー

THz電磁波パルス

Si半球レンズ

光伝導アンテナ(dipole型）

半導体基板

ETHz(t)∝∂J(t)/∂t

I(t)

光伝導電流 J(t)

光伝導アンテナ素子によるTHz電磁波発生

Ni:G

e:A

u

20μm

LT-G

aAs(

2μm

)/SI-G

aAss

ubstr

ate(

0.4m

m)

5μm10

μm10

μmD

Cor

AC

bias

@>1

0kH

z

6mm

10m

m

フェムト秒レーザー

THz電磁波パルス

Si半球レンズ

光伝導アンテナ(dipole型）

半導体基板

JTHz(t) ∝ ETHz(t)

I(t)

光伝導電流

A

発生の逆過程で検出

光伝導アンテナによるテラヘルツ電磁波パルスの検出

(1) サブピコ秒の間だけ回路が開いているのでノイズ電流が少ない。

(2) パルスTHz波の

ピークパワーは比較的大きい。

Johnson noise (> shot noise)

RfTki B

nΔ

=42

長波長（λ＞1μm)動作PCアンテナ

利点：通信波長用の光源，光学素子が利用できる。（コスト減，コンパクトシステム可能）

基板材料：Ge，InGaAs, GaAsSb，など

バンドギャップの狭い半導体を使用するため本質的に高抵抗なPCアンテナ用基板を得にくい。SHG効率より発生・検出効率が低い場合，SHGによりLT-GaAs基板PCアンテナを励起したほうが有利。

問題点：

イオン注入Ge： Sekine, et al: Appl. Phys. Lett. 68, 3419-3421 (1996).Feイオン注入 InGaAs： Suzuki, and M. Tonouchi: Appl. Phys. Lett. 86, 163504 (2005).Feイオン注入InGaAs： Suzuki, et al,: Appl. Phys. Lett. 86, 051104 (2005).Br イオン注入InGaAs： Chimot, et al: Appl. Phys. Lett. 87, 193510 (2005).Feイオン注入InGaAs： Takazato, et al: Appl. Phys. Lett. 91, 011102 (2007).Feイオン注入InGaAs： Takazato, et al: Appl. Phys. Lett. 90, 101119 (2007).InGaAs/ErAs： Sukhotin et al: Appl. Phys. Lett. 82, 3116 (2003).LT-GaAs： Tani, et al： Appl. Phys. Lett., 77, 1396-1398 (2000).LT-GaAs： Kataoka, et al： Appl. Phys. Lett., 97, 201110, (2010).

LT-GaAsでも1.55umのレーザー光を， 800nm励起に近いSNRでTHz波の検出は可能。

Ds

Kataoka, et al： Appl. Phys. Lett., 97, 201110, (2010).

LTG-GaAs PC アンテナの1.560nm フェムト秒レーザー動作

∝P1.35

0 5 10 15 20 25 300

10

20

30

1.55-um probe

Cur

rent

( pA

)

Probe Power ( mW )

0 20 40 60 80-180

-120

-60

0

60

120

180

Cur

rent

( pA

)

Time ( ps )

1.55-um probe

Laser: 1.55 micron fiber laserEmitter: InSb in B-fieldDetector: LT-GaAs (dipole: G=2 um, L=70um)Pump: 60 mWProbe: 30 mW Chopper Freq: 2 kHzLock-in: I-mode (106V/A with 100 ms time constant)

ギャップ2-um LT-GaAs PCアンテナの1.55um動作

0.0 0.5 1.0 1.5 2.01E-61E-51E-41E-30.010.1

110

100

Pow

er (

arb.

uni

ts )

Frequency ( THz )

L

G

W

Cherenkov位相整合を用いたEOサンプリング実験

LN crystal

Si prismlens

f=200mm

pump fs-laser(80 fs, 82 MHz, 800 nm, 20 mW) probe fs-laser

(> 20 mW)

PC Bowtie antenna

λ/4 plate

λ/4 plate

A

Wollastonprism

Pol.@45o

c-axis lensf=150mm

s-pol. THz pulse

λ/2 plate

41o

balanceddetector

(ABL-100)

0 1 2 3 4 50

2

4

6

8

10 collinear β = 48° β = 49° β = 50°

Coh

eren

ce le

ngth

(mm

)

Frequency (THz)0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

0

1

2

3

4

5

@810nm @800nm @780nm

ZnTe

Coh

eren

ce le

ngth

(mm

) L

c=λ/2

Δn

Frequency (THz)

コリニア配置、ノンコリニア配置におけるコヒーレンス長

Non-collinear with LN at 800nmCollinear with ZnTe

( )cSi2 cos g

cLn n

ν =ν β −||2

)(gZnTe

c nncL

−=

νν

nZnTe: THz refractive index of ZnTeng: optical group index

nSi: THz refractive index of Siβ: beam crossing angle

10 20 30 40

-1

0

1

2

LN/Si-prism ZnTe 4mm

ΔI/I

(x10

4 )

Time (ps)0.0 0.5 1.0 1.5

0

5

10

15

20

LN/Si-prism ZnTe 4mm

FFT

Am

plitu

de (a

rb. u

nits

)Frequency (THz)

(a) (b)

Cherenkov位相整合によるEOサンプリング：LN/Si-prism とZnTe(4-mm)との比較

opt 3 3e 33 o 13 THz( ) ( ) ( )

2n r n r E L

cω

δϕ τ = − τ ( )3 3LN e 33 o 13

1FOM2

n r n r= − ≈ 104 pm/Vopt 3

opt 41 THz( ) ( )n r E Lc

ωδϕ τ = τ

LN/Si

ZnTe 3ZnTe opt 41FOM n r= ≈ 96 pm/V

EO信号 ΔI/I ~ 位相遅れδφ

放物面鏡

λ/２板

InSbPBS ﾁｮｯﾊﾟｰ

2kHz

Siﾚﾝｽﾞ

LT-GaAsﾃﾞｨﾃｸﾀｰｱﾝﾃﾅ(ﾀﾞｲﾎﾟｰﾙ)

ﾌﾟﾛｰﾌﾞ光20mW (@780nm)

Lock-inｱﾝﾌﾟGain=×106V/A

Sens.=10mV

PC

紙THz電磁波

ﾌｪﾑﾄ秒ﾊﾟﾙｽﾚｰｻﾞｰ：IMRAλ~1.55μm，780nm（2nd)δt~100fs,50MHz

ﾎﾟﾝﾌﾟ光12.6mW (@1.55μm)

Time delay

Siﾚﾝｽﾞφ3mm

Si レンズと磁場によるn-InSbからのTHz放射の同時増強効果

実験装置

16 20 24 28-4

-2

0

2

4

6

8 n-InSb with B-field

(635mT up) 15-times with B-field & Si lens

(635mT up) 34-times

Time(ps)

Am

plitu

de(a

rb.u

nits

)

0.0 0.5 1.0 1.50

1

2

3

4 n-InSb with B-field

(635mT up) with B-field & Si lens

(635mT up)

Am

plitu

de sp

ectru

m

Frequency (THz)

Si レンズと磁場によるn-InSbからのTHz放射の同時増強効果

-15

-10

-5

0

5

10

15

-600 -400 -200 0 200 400 600

Am

plitu

de (a

rb.u

nit)

磁場

InSb -e 双極子モーメント

ポンプ光

α’

Siレンズ

4. 導波路・伝送技術

・平行平板導波路：THz波の超集束

J. Zhang and D. Grischkowsky Appl. Phys. Lett. 86, 061109 (2005)

Grischkowskyらは曲率をもった平板導波路を使用（adiabatically compressed waveguide）

平行平板金属導波路の中央を狭窄化

63.5mm

開口幅が103μmと小さい為、Siレンズを使用→結合ロス

テーパー付平板導波路におけるTHz波の超集束(1)

片テーパー角θ=3deg, 最小幅100um

Sang-Hoon Kim, Optics Express Vol. 18,No.2 1289 (2010)

テーパー付平板導波路におけるTHz波の超集束(2)

金属V溝構造におけるTHz波の超集束効果

V-groove structure

THz波の金属V溝構造の透過率

12 14 16 18 20 22 24

-2

0

2

4D=2um

Sing

nal (

arb.

uni

ts)

Time (ps)

ref. V-groove

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Am

plitu

de sp

ectru

m

Frequency (THz)

ref. V-groove

TM 波 （偏光がV溝と垂直）は溝幅が波長以下でも金属V溝を効率よく透過し、波形の変化（位相変化）も小さい。一方、TE波（偏光がV溝に平行）は溝幅Dが小さいとほとんど透過しない

1 10 100 10000.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Peak

sign

al r

atio

D [μm]

V溝の先端幅Dに依存したTHz波の透過率

High transmittance ~ 20% for D ~ 10 umHigher transmittance for higher freq.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50.00.10.20.30.40.50.60.7

Spec

tral r

atio

Frequency[THz]

2micron 7micron 26micron 82micron170micron965micron

Conventional method

ビオチンのラベルフリーTHz イメージング

biotin

Membrane(Polyvinylidene

difluoride)

streptavidin

1×10-2 2×10-3 4×10-4 8×10-5 1.6×10-5 3.2×10-6

(M)

Biotin + MPEG

Biotin + PEG

Biotin

Biotin array (in doublet)

Label-free THz image (interference method)

0.2 μl/spot

Y. Ogawa et al., Optics Express, 16(26), 22083-22089 (2008).

MPEG: Poly ethylene glycol methyl etherPEG: Poly ethylene glycol

mirror

Si plate

sample

光路長変化による

多重反射干渉強度変化を検出

PEG/MPEG

1.5THz imaging 200um/pixel35mm x35mm

まとめ：今後の課題

活発な光源開発が行われている。高輝度光源によりTHz波による非線形分光、分子制御の可能性がでてきた。低コスト化が大きな課題。通信応用には半導体固体発振器の実用化が望まれる。

検出器開発は光源に比べて遅れ気味。常温動作で高感度、高速応答の検出器開発が望まれる。一方、最近のTHzカメラ、THzメージャーの開発には注目すべきものがある。

平行平板導波路は比較的伝搬損失が少なく、またテーパー構造を持たせることで空間結合も改善できる。超集束効果による応用も期待できる。今後、曲げ構造、フレキシブルな構造のものの開発が期待される。

• 高速化、• 高感度・高効率化、• 小型化、• 低コスト化

にむけてさらなるブレークスルーを期待したい。