1

金属導波路を用いたテラヘルツ波の 高感度電気光学サンプリング検出

1福井大学・遠赤外領域開発研究センター 2福井大学・教育地域科学部 3福井工業大学

○谷 正彦，栗原 一嘉，山本 晃司，桑島 史欣

（特願2012－155368，特願2012－155368 ）

2

テラヘルツ(THz)帯 ＝遠赤外領域

（未開拓周波数帯） 長波～ﾗｼﾞｵ・ﾃﾚﾋﾞ電波 ～ ﾏｲｸﾛ波 ～ ﾐﾘ波 ～ 赤外/可視/紫外 ～ X線 ～ γ 線

104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 (Hz)

・電波と光の中間領域の電磁波

・これまであまり利用されてこなかった未開拓な周波数帯

1 THz = 1 ps = 300 µm = 33 cm-1 = 4.1 meV = 48K

光 電波 波長が長い。 エネルギーが低い。 回折効果が大きい（電波の回り込み）。

波長が短い(<1µm）。 エネルギーが大きい。 直進性が強い。

テラヘルツ電磁波 0.1～10THz

テラヘルツ電磁波とは？

周波数

波長 104 102 100 10－2 10－4 10－6 10－8 10－10 (m)

FIR FU

3 3

Envelope

7 mm 3.5 mm

上側の紙の端

（遅延時間固定） 非破壊計測

C-4

-0.3

1

3.5

mm

7 mm

ラスタースキャンイメージ

-1

0

+1

封筒のなかのプラスチック爆薬C-4 イメージング

Delay (ps)

FIR FU

4

最近の新聞記事から

平成18年6月1日 読売新聞朝刊

FIR FU

5

イメージエリア: 縦30mm×横24mm

テラヘルツ波イメージング：封筒のなかの物体の透視）

X線と違いテラヘルツ波は安全

FIR FU

6

癌組織（肝臓癌）

正常組織

壊死した割合が比較的大きい領域

2THz 2THz

染色による光学イメージとの比較から，壊死した割合が大きい領域で屈折率と消衰係数が大きくなっていることがわかる。

消衰係数： κ 屈折率 : n

染色イメージとテラヘルツイメージの比較 FIR FU

7

テラヘルツ波を用いた薬の錠剤の全数検査を製造現場（インラ

イン）において実現する。そのための超高速テラヘルツ波品質管

理用センサーシステムを開発する。 ①独自サンプリング技術で超高速化 ②2桁以上の高感度化 ③多チャネル化（10ラインに対応） ④スペクトルデータベース ＆判別ソフトウエア

６，０００錠／分 を実現！

テラヘルツ波による薬の錠剤の全数検査

周波数連続可変 フェムト秒パルスレーザー

ファイバ カプラー

ファイバ分岐モジュール ＆ アンプモジュール

発信モジュール

受信モジュール

錠剤

製造ライン移動方向

プロトタイプ装置イメージ図

8

薬剤搬送機（エーザイ）

ﾌｪﾑﾄ秒 ファイバレーザー

信号検出系

ファイバー結合型 光伝導アンテナ

(検出器)

福井大学で開発中の薬の錠剤検査装置

検出器

発振器

Sweep generator

9

テラヘルツ電磁波を光パルス（偏光変化）を用いて検出 テラヘルツ波と光パルスの速度整合が重要

電気光学（EO）効果を用いたTHz電磁波検出 FIR FU

10

従来のEOサンプリング技術の問題点

使える波長，EO結晶が限られている 光学系が複雑 感度が十分ではない

どのような波長，EO結晶にも使用可能 簡便な光学系 高感度

本特許の適用により

11

コリニア(共軸） EO サンプリング

0=− gTHz nn速度整合条件

nTHz: THz 帯屈折率 ng: 光領域の群速度屈折率

速度整合条件を欲しい波長(例えば通信波長帯の1550nm)で満たす非

線形光学結晶を見つけることは難しい。

THz pulse

Optical sampling pulse

12

Cherenkov位相整合によるノンコリニア(非共軸）EOサンプリング

Optical sampling pulse

THz pulse

θC

0cos =− gCTHz nn θ速度整合条件

どのようなEO結晶に対しても交差角θCを調製することで速度位相整合条件を満たすことができる。

nTHz: THz 帯屈折率 ng: 光領域の群速度屈折率

13

チェレンコフ位相整合 EO サンプリングによるTHz波検出 波長 780nm および 1.55µm by LN/Si-prism

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/V opt 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： ∆I/I ~ 位相遅延 δφ THz発生素子： ボウタイ型光伝導アンテナ

-5 0 5 10 15 20

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

Si/LN(t=2mm) 780 nm Si/LN(t=2mm) 1.55 µm ZnTe(L=4mm) 780 nm

∆I/I

Time (ps)

x10-4

(a)

0.0 0.5 1.0 1.50

1

2

3

4

5

FFT

ampl

itude

[arb

. uni

t]Frequency [THz]

Si/LN(t=2mm) 780 nm Si/LN(t=2mm) 1.55 µm ZnTe(L=4mm) 780 nm

(b)

Tani, et al, Opt. Express Vol. 19, No. 21, pp 19901-19906 (2011).

14

Cherenkov位相整合によるEOサンプリング Siプリズム

レンズ f = 200mm

プローブ光

THz波

LN結晶 c-axis

レンズ f =100mm

パラボリックミラー

PCアンテナ (ボウタイ)

ポンプ光(780nm,100fs,50MHz,7.5mW)

(45o 偏光, λ~1.55μm, 780nm（2nd))

A

バランス検出器

λ/4 板 λ/2 板

ワラストンプリズム

FIR FU

S偏光, 画面に垂直

λ/4 板

複雑な光学系

光学素子を用いる バランス検出

位相補償用の 光学系

Tani et al, Opt. Expr. 19, 19901 (2011).

15

ヘテロダインEOサンプリングの原理

非線形光学 結晶 χ(2)

相互作用後の光強度

[ ] 20

20

20 Re2 SFGSFGSFGtot EEEEEEI +++=+=

サンプリング光 E0(ω0)

和周波(SFG) or 差周波(DFG)波光 ESFG/DFG

ヘテロダインEOサンプリング信号

00

]Re[2EE

II SFGhetero ≅

∆)](Im[)(

4

0

0 kLgEcn

LdTHzTHz

eff ∆−= ωω

kLikLikLg

∆−∆

=∆1)exp()( SFGTHz kkk −+= 0k∆

E0倍に信号は増強

E0(ω0)

16

ヘテロダインEOサンプリング

Lock-in Amp PC

1/2 波長板 ポンプ光パルス

(780 nm, 50 MHz, 100 fs, ~6 mW)

THz波 発生素子

放物面鏡

lens f=200mm

Siプリズム

EO(LN) 結晶

c-axis

A

PD

プローブ光パルス (1.55 μm or SHG780 nm, S-pol. 50 MHz, 100 fs, ~1 mW on PD)

S偏光 THz波

FIR FU

Tani, et al Opt. Express, 21, 9277 (2013).

17

金属導波路によるEOSの感度増強

導波路先端で電磁波の超集束効果 が起きて，電場が増強される。 導波路幅（Siプレートの厚さ）100μm

LN結晶 金属V溝構造

18

EOサンプリング信号の増強

金属導波路構造により信号強度が19.7倍に増強された！

10 20-10

-5

0

5

10x19.7

∆I

/I

Time[ps]

Si prism + LN 2mm Si prism + LN 40µm V-groove Si plate 0.3mm + LN 40µm V-groove Si plate 0.1mm + LN 40µm

x12.1x1.4

x10-4

19

実用化に向けた課題

現在、すでに20倍までの感度増強に成功。さらに5倍，合計100倍感度増強を目指した研究開発を実施中。 光ファイバーと結合したモジュールを開発予定。 検出帯域を現在の2THzから10THzへ

20

本技術に関する知的財産権 • 発明の名称：電磁波検出方法及び電磁波検出装置 • 発明者：谷 正彦，山本 晃司，エスタシオ エルマー，ケ クリス

トファー • 特許出願人：国立大学法人福井大学 • 特許出願番号：特願2012－039442 • 特許出願年月日：2012年2月25日 • 発明の名称：電磁波検出方法及び電磁波検出装置 • 発明者：谷 正彦，栗原 一嘉，山本 晃司，桑島 史欣 • 特許出願人：国立大学法人福井大学，学校法人金井学園 • 特許出願番号：特願2012－155368 • 特許出願年月日：2012年7月11日

21

産学連携の経歴

2008年-2011年 JST先端計測分析技術・機器開発 事業に採択 2012年-2013年 JST A-STEP事業に採択 2013年4月- 上記事業成果をコア技術として 福井大学発ベンチャー (株)アイスペック・インスツルメンツ を設立

22

お問い合わせ先 福井大学発 ベンチャー企業

株式会社 アイスペック・インスツルメンツ

カスタムメイドの高性能テラヘルツ分光器，センサーをお届けします。

代表取締役 谷 正彦

〒910-0067 福井市新田塚一丁目80番15号

電話: 0776-76-2050, FAX: 0776-76-2050

E-mail: aii-information@mbr.nifty.com

Instrumentsispec