Microsoft PowerPoint - SCOPE 最終発表 2008short2.ppt

(1)

光通信技術に適合したテラヘルツ波

センシングシステムの開発

総務省

戦略的情報通信研究開発推進制度

（研究主体育成型研究開発

産学官連携先端技術開発）

平成15年～平成20年

総額１．８億円

京都大学大学院理学研究科 : 田中耕一郎（代表）

京都大学大学院理学研究科:永井正也、アイシン精機株式会社: 大竹秀幸、杉浦利治広島大学大学院先端物質科学研究科:角屋豊、北川二郎情報通信機構関西研 : 斎藤伸吾、株式会社栃木ニコン : 福島一城、深澤亮一本プロジェクトの目的：光通信帯域の超小型フェムト秒ファイバーレーザーと超高速フォトデバイスをもちいたテラヘルツ波発生・検出技術を進展させ、医薬・生物分野での応用に適した全反射分光（ATR）ヘッドを内蔵した小型テラヘルツセンシングシステムを開発する。本プロジェクトの主な成果：①コンパクトTHz-ATR分光装置、②1.5μ帯用のテラヘルツ波発生・検出技術、③全反射分光技術、④テラヘルツ分光チップ、⑤広帯域テラヘルツ波発生・検出技術、⑥高出力ファイバーレーザー技術

(2)

コンパクトTHz分光装置

当初の案

最終形

EO ‐ crystal λ₁ λ₂ λ₃ λ₄ λ₅ λ₆ Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Ch6 THz emitter _λ 1 λ₆ monitor ATR prism CCD camera microscope polarizer THz spectrum

(3)

コンパクトTHz‐ATR分光装置

• 開発の概略

光学系デザイン、測定原理（京都大学）

THz発生、検出素子開発（広島大学、NICT）

1.5ミクロン帯フェムト秒ファイバーレーザー開発(アイシン）

プロトタイプ構築、製品化

(栃木ニコン)

プロトタイプ構築、製品化

(栃木ニコン)

Advanced Terahertz Technologies adapted for Optical Communication

ATT

OC

SCOPE project 2003‐2007

(4)

コンパクトTHz‐ATR分光装置

• 開発の流れ

ATR測定ユニットベースユニット制御部光ファイバノートPC ２００３．１０開始２００５．３京都大学２００６．３栃木ニコン２００８．１栃木ニコンアイシン 評価： NICT

(5)

THz 時間領域ATR 分光法

Hirori et al. JJAP, 43, L1287 (2004)

Nagai, et al. , Int. J. IRMMW, 27, 505 (2006).

Terahertz Time-Domain Attenuated Total Reflection Spectroscopy

Si or MgO Dove Prism

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Δ AT R 3.0 2.0 1.0 0.0 Frequency [THz] 8 6 4 2 0 O p tical Density Sucrose _1-ATR Optical Density (0.645 mm) O.D._max

)

(

)

(

ω

κ

ω

κ

∝

×

∝

ATR

OD

(6)

6 4 2 0 Dielec tr ic Cons ta nt

ε

_r 4 2 0 1.5 1.0 0.5 0.0 Frequency [THz]

ε

_i Water 0.305 mol/l 0.633 mol/l 0.989 mol/l Solid line : Fitting Crystal Crystal

水和状態の高感度検出

Solute molecule Hydration water Bulk water Hydration Number of Sucrose 35 Bulk water Bulk water THz GHz MHz Polarizabi lity (Im) Hydration Hydration water water

(7)

THz領域の表面モードの励起

n

₂

=1

n

₁

=3.1

d

n

₃

=n+i

κ

Hirori, OE 13, 10801-10814 (2005).

Okada, OE

Electric field is enhanced near the surface of optically active medium

Sensitive detection of tiny change of ε

(8)

1.56 μm パルス光励起によるTHz電磁波発生・検出（アンテナ）

従来 THz波低温成長

_GaAs

今後の期待励起光源：

1.56μm

帯ファイバーレーザー・コンパクト・安定動作・低コスト・光通信技術の適用・光通信ネットワークとの連携光導電膜：開発が必要 fsec パルス光 (

800nm

) 過去の報告・通常成長InGaAs＋イオン注入・・・ THz波発生・検出報告あり・ErAsクラスタ(通常成長) ・・・ THz評価なし本研究 低温成長BeドープInGaAs ②1.56 μm励起光のみを用いたTHz電磁波発生・検出に成功どれも実用化には至らず ①In組成の最適化による高抵抗化を発見 ③THz-TDSシステムへの組み込み使えない広島大学

(9)

コンパクトTHzセンシングシステムⅠ

本体

制御部

(10)

センシングシステムⅠの特徴

・本体、制御部、ノートPC のシンプル構成

・可搬（本体：260mm×360mm×190mm、15.5kg）

（制御部：370mm×430mm×140mm、10.5kg）

・ ATR測定（高抵抗シリコン製半球プリズム使用）

・周波数領域

0.1THz～3THz

・周波数分解

5GHz～100GHz

・励起レーザ

λ=1560nm or 780nm、100fs、50MHz、20mW

・発生素子 LT-InGaAs（λ=1560nm時）、

LT-GaAs（λ=780nm時）光伝導アンテナ

・検出素子 LT-GaAs光伝導アンテナ

(11)

コンパクトTHzセンシングシステムⅡ

ATR測定ユニットベースユニット制御部光ファイバノートPC

(12)

センシングシステムⅡの特徴

・ベースユニット、ATR測定ユニット、制御部、ノートPC で構成

・温度変化、振動、水分等を嫌うレーザ及びステージと

測定部を分離して光ファイバで接続

・可搬（ベースユニット：369mm×242mm×127mm、7.5kg）

（ATR測定ユニット：257mm×320mm×112mm、7.3kg）

・周波数領域

0.1THz～2THz

・周波数分解

5GHz～100GHz

・励起レーザ

λ=1560nm、100fs、50MHz、20mW

・発生素子 LT-InGaAs光伝導アンテナ

・検出素子 LT-GaAs光伝導アンテナ

(13)

センシングシステムⅡの光学系

フェムト秒レーザ時間遅延_ステージ BS 集光レンズベースユニット ATR測定ユニット発生素子検出素子 ATR プリズム楕円面鏡コリメートレンズ 分散シフト光ファイバ（長さ2m×2本）

(14)

センシングシステムⅡによる測定例

（λ=1560nm）

THz波の電場波形（上）と強度スペクトル（下）

(15)

(16)

THz分光チップ

マイクロストリップライン・固体伝送線路：THz波をミクロンオーダーの空間に閉じ込めながら伝送・光伝導アンテナの集積化：THz波パスがアライメントフリー，パージ不要コンパクト化，安定化，簡便化 THz発生部 _THz検出部測定試料光パルスコプレーナストリップライン THz発生部 _THz検出部 1 mm 1 mm 透明基板 → 基板裏面より光アクセス ¾測定感度の調節 → 吸収大きい試料測定可 ¾校正により試料そのものの光学定数に換算できる ¾光ファイバー結合型 → リモートセンサーヘッド ¾低誘電率基板（シクロオレフィン） → 放射損失の抑制，THz波伝搬特性の大幅な改善 ¾ 2THzを超える粉末試料の広帯域分光に成功ガラスシクロオレフィン広島大学

(17)

10cm 光ファイバー長55cm 光ファイバー結合型

マイクロストリップライン

実線 J.T.Kindt et al.: J. Phys. Chem. 100 (1996) 10373 液体試料水，メタノール，エタノールポリイミド（誘電体層）広島大学

(18)

E

_THz

~ 94.25 kV/cm

(Nov. 30,2007)

Pulse Energy～310nJ

efficiency 4×10

-4

Original E-O signal _{F T} _{F T / g-factor of detector} _RFT

Temporal profile of electric field emitted from LiNbO

₃

10x106 8 6 4 2 0 -2 -4 E le ctr ic fi e ld ( V /m ) 12 10 8 6 4 2 0 Time (ps)

京都大学

従来比１０００倍の出力を達成

(19)

高出力ファイバレーザ

Yb

Oscillator StretcherFiber

AOM Downcounter Fiber Pre-Amplifier Power Amplifier Grating Compressor Amplified fs Pulse Yb

Oscillator StretcherFiber

AOM Downcounter Fiber Pre-Amplifier Power Amplifier Grating Compressor Amplified fs Pulse レーザの構成製作した試作レーザの概観 • 発振波長：1045 nm • 繰り返し周波数：100 kHz – 5 MHz • 平均出力：1.09 W • パルスエネルギー：1.09 μJ （100 kHzの時） • パルス時間幅：493 fs (sech2_を仮定） • AC100V駆動出力特性及び仕様パルス形状 493fs

アイシン

(20)

終

５年間、ありがとうございました。

Advanced Terahertz Technologies adapted for Optical Communication

ATT

OC

SCOPE project 2003-2007

Microsoft PowerPoint - SCOPE 最終発表 2008short2.ppt

光通信技術に適合したテラヘルツ波

センシングシステムの開発

総務省

戦略的情報通信研究開発推進制度

（研究主体育成型研究開発

産学官連携先端技術開発）

平成15年～平成20年

総額１．８億円

京都大学大学院理学研究科 : 田中耕一郎（代表）

コンパクトTHz分光装置

当初の案

最終形

コンパクトTHz‐ATR分光装置

• 開発の概略

光学系デザイン、測定原理（京都大学）

THz発生、検出素子開発（広島大学、NICT）

1.5ミクロン帯フェムト秒ファイバーレーザー開発(アイシン）

プロトタイプ構築、製品化

(栃木ニコン)

プロトタイプ構築、製品化

(栃木ニコン)

ATT

コンパクトTHz‐ATR分光装置

• 開発の流れ

THz 時間領域ATR 分光法

Hirori et al. JJAP, 43, L1287 (2004)

Nagai, et al. , Int. J. IRMMW, 27, 505 (2006).

Terahertz Time-Domain Attenuated Total Reflection Spectroscopy

)

(

)

(

ω

κ

ω

ω

κ

∝

×

∝

ATR

OD

ε

ε

水和状態の高感度検出

THz領域の表面モードの励起

n

=1

n

=3.1

d

n

=n+i

κ

Hirori, OE 13, 10801-10814 (2005).

Okada, OE

1.56 μm パルス光励起によるTHz電磁波発生・検出（アンテナ）

GaAs

1.56μm

800nm

コンパクトTHzセンシングシステムⅠ

センシングシステムⅠの特徴

・ 本体、制御部、ノートPC のシンプル構成

・ 可搬 （本体：260mm×360mm×190mm、15.5kg）

（制御部：370mm×430mm×140mm、10.5kg）

・ ATR測定 （高抵抗シリコン製半球プリズム使用）

・ 周波数領域

0.1THz～3THz

・ 周波数分解

5GHz～100GHz

・ 励起レーザ

λ=1560nm or 780nm、100fs、50MHz、20mW

・ 発生素子 LT-InGaAs（λ=1560nm時）、

LT-GaAs（λ=780nm時）光伝導アンテナ

・ 検出素子 LT-GaAs光伝導アンテナ

コンパクトTHzセンシングシステムⅡ

センシングシステムⅡの特徴

・ ベースユニット、ATR測定ユニット、制御部、ノートPC で構成

・ 温度変化、振動、水分等を嫌うレーザ及びステージと

_GaAs

・本体、制御部、ノートPC のシンプル構成

・可搬（本体：260mm×360mm×190mm、15.5kg）

・ ATR測定（高抵抗シリコン製半球プリズム使用）

・周波数領域

・周波数分解

・励起レーザ

・発生素子 LT-InGaAs（λ=1560nm時）、

・検出素子 LT-GaAs光伝導アンテナ

・ベースユニット、ATR測定ユニット、制御部、ノートPC で構成

・温度変化、振動、水分等を嫌うレーザ及びステージと

・可搬（ベースユニット：369mm×242mm×127mm、7.5kg）

・周波数領域

・周波数分解

・励起レーザ

・発生素子 LT-InGaAs光伝導アンテナ

・検出素子 LT-GaAs光伝導アンテナ