浜松ホトニクスは、浜松独自の光学設計技術と高効率回折格子外部共振器を用いて、テラヘルツ波の発生原理を解析し、量子カスケードレーザ(QCL)出力パワーの開発に成功しました。0.42~2THzの範囲の任意の周波数のテラヘルツ波を発生できる世界初のQCLモジュール。
QCLモジュールはどのように見えるか
主な研究成果
1.出力電力は、以前のテラヘルツ非線形QCLの5倍です。浜松ホトニクスは、テラヘルツ非線形QCL内部のテラヘルツ波伝搬の原理を解析し、その上面を高抵抗シリコンレンズで接続することでテラヘルツ波の発生効率が向上することを見出し、長年培ってきた結晶成長技術を活用しました。また、半導体プロセス技術は、内部構造を最適化して、1THz周波数ポイントでのピーク出力を従来の非線形QCLの5倍以上のサブミリワットレベルに増加させます。
2.世界初の0.42〜2THz周波数調整可能なQCLモジュール。浜松ホトニクスは、テラヘルツ非線形QCLの上面にある反射防止膜の材質について、鋭意研究を進めてきました。同時に、独自の光学設計技術により、QCLの外側に一致する回折格子を設置して共振器を形成し、傾きを電化製品によって制御します。室温で0.42~2THzの範囲の任意のテラヘルツ波を発生できる世界初のQCLモジュールを実現しました。
周波数切り替え表示
周波数スイッチング原理:テラヘルツ非線形QCLから放出された中赤外レーザービームは、回折格子に反射されます。この場合、THz波の周波数の切り替えは、回折格子を電気的に制御し、傾きを変えることによって達成される。
R&Dの背景
試験するサンプルに含まれる成分が異なるため、吸収されやすいテラヘルツ波の周波数も異なります。この特性を活かし、研究成果はサンプルの品質評価や非破壊分析に役立てられることが期待されます。また、テラヘルツ波は高速通信規格「5G」の周波数帯よりも周波数が高いため、次世代の「6G」通信への活用も期待されています。
浜松ホトニクスは2018年、独自の量子構造設計技術を活用し、アンチクロスデュアル高エネルギー状態設計(AnticrossDAUTM)を用いてテラヘルツ非線形QCLを開発しました。このテラヘルツ非線形QCLは、テラヘルツ波の周波数を変化させ、試料に含まれる成分に応じて照射し、吸収率に応じて分析精度を向上させることができます。しかしながら、1つのモジュールで周波数変化を達成できる半導体レーザ光源は現在のところ存在しない。そこで浜松ホトニクスでは、周波数を変化させるQCLモジュールの研究開発を進めてきました。
研究開発実績の概要
本研究報告では、浜松ホトニクスがQCLにおけるテラヘルツ波の発生原理を解析し、長年培ってきた結晶成長技術と半導体プロセス技術を用いて内部構造を最適化しました。同時に、QCL内部のテラヘルツ波伝搬の原理も解析し、上面と高抵抗シリコンレンズの接続により、テラヘルツ波の発生効率が向上し、出力電力が従来の5倍以上に向上することを見出しました。浜松ホトニクス独自の光学設計技術を組み合わせ、QCLと適切な回折格子をマッチングさせることで、効率的な外部共振器を形成し、回折格子を電気的に制御することで傾きを変え、2THz域で任意の周波数のテラヘルツ波を発生する世界初の0.42~QCLモジュールを実現しました。
本研究の結果、試験対象の試料中の異なる成分の異なる吸収周波数の場合、モジュールを用いて周波数を切り替え、狭帯域テラヘルツ波を照射して各成分の吸収速度を確認することで、医薬品、食品、半導体材料を改良できることを示している。非破壊検査の品質評価と精度。また、これまで容易に同定できなかったプラスチック等の高分子高分子材料の同定への応用も期待されている。次に、浜松ホトニクスでは、QCLの放熱構造についても詳細に研究し、THz波の安定的かつ連続的な動作を目指します。THz波は、宇宙を観測する電波天文学などの分野で利用され、データ伝送速度は毎秒数百ギガビットに達すると予想されています。超高速大容量近距離無線通信の開発方向への応用
今後、浜松ホトニクスは独自のマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)技術を活用し、QCLモジュールを指先まで縮小していきます。