広報活動

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2017年3月2日

理化学研究所
東京工業大学

光波長変換によりテラヘルツ波を高感度に検出

-室温で動作するテラヘルツ波領域の小型非破壊検査装置の実現へ-

共鳴トンネルダイオードモジュールと光波長変換によるテラヘルツ波検出実験の概要図

図 共鳴トンネルダイオードモジュールと光波長変換によるテラヘルツ波検出実験の概要

「テラヘルツ波」とは、周波数が1兆ヘルツ付近(0.1から100THz)にある電磁波のことです。近年、電波と光波の中間の周波数帯であるテラヘルツ波領域の研究開発が進み、基礎科学だけでなく産業利用への応用開発が進んでいます。物質中にはテラヘルツ波周波数に共鳴する格子振動や分子間振動などが数多く存在します。これらは物質固有の特徴的な吸収スペクトルを示すので、未知の物質であっても吸収スペクトルから逆にその物質を特定することができるため、「指紋スペクトル」と呼ばれています。指紋スペクトルを利用した非破壊センシング・イメージング技術は、安心・安全な社会を実現するための基盤技術の一つとして注目されています。しかし、これまでのテラヘルツ波光源やテラヘルツ波計測装置は冷却する必要があったため、技術を普及させるために、室温で動作する高性能な光源や測定技術の開発が求められています。

これまで理研の研究チームは、室温において高感度なテラヘルツ波検出を実現するために、光波長変換技術を用いてテラヘルツ波を近赤外光に変換し、その変換した光信号を近赤外光検出器で高感度に計測する方法を開発してきました。一方、東工大の研究チームは、将来の標準的な小型・室温動作・連続発振テラヘルツ波光源として期待されている共鳴トンネルダイオード(RTD)を開発してきました。RTDは半導体のナノ構造で生じる共鳴トンネル現象を利用したダイオードで、室温でテラヘルツ波を直接発生することができるコンパクトな電子デバイスです。

今回、理研と東工大の共同研究チームは、将来の標準的な小型・室温動作・連続発振テラヘルツ波光源として期待されている共鳴トンネルダイオード(RTD)から発生したテラヘルツ波を、光波長変換によって検出する実験を行いました(図参照)。その結果、RTDから放射されたテラヘルツ波を近赤外光に光波長変換して検出することに成功し、周波数1.14テラヘルツ(THz、1THzは1兆ヘルツ)のとき最小検出可能パワーとして、約5ナノワット(nW、1 nWは10億分の1ワット)の高感度検出を実現しました。これは、従来の光波長変換による検出と比較して100倍以上高い感度です。また、光波長変換技術を用いることで、RTDの発振周波数および出力を測定できることを示しました。

今回用いた実験装置は全て室温で動作するため、私たちの生活環境で使用可能な、テラヘルツ波領域の小型非破壊検査装置の実用化につながると期待できます。

理化学研究所
光量子工学研究領域 テラヘルツ光研究グループ テラヘルツ光源研究チーム
基礎科学特別研究員 瀧田 佑馬 (たきだ ゆうま)
基礎科学特別研究員 縄田 耕二 (なわた こうじ)
チームリーダー 南出 泰亜 (みなみで ひろあき)