JP2013032933A - Homodyne detection-type electromagnetic wave spectroscopic measurement system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve measurement time and measurement accuracy of an electromagnetic wave spectroscopic measurement system employing a homodyne detection system in order to achieve downsizing thereof.SOLUTION: Instead of a delay line having a mechanical drive mechanism, an optical phase modulator 4 that can be phase-modulated electrically is used.

Description

本発明は、被測定対象物に対するミリ波・テラヘルツ波の透過又は反射スペクトルを測定する技術に関する。   The present invention relates to a technique for measuring a transmission or reflection spectrum of millimeter waves and terahertz waves with respect to an object to be measured.

100GHz〜10THzの周波数帯域におけるミリ波・テラヘルツ波は、電波のように物体を透過しやすく、自然界の多くの物質を構成する分子と強い相互作用を引き起こすことが知られている。   It is known that millimeter waves and terahertz waves in a frequency band of 100 GHz to 10 THz are easy to transmit through an object like radio waves, and cause strong interaction with molecules constituting many substances in the natural world.

分子はミリ・テラヘルツの周波数帯域で独自の分光パターン(言わば、テラヘルツ指紋スペクトル)を持つため、その周波数帯域の分光情報を利用することにより、ミリ波やテラヘルツ波の作用を受けた分子を識別することができる。   Molecules have unique spectral patterns in the milli-terahertz frequency band (so-called terahertz fingerprint spectrum), so the molecules affected by millimeter waves and terahertz waves are identified by using the spectral information in that frequency band. be able to.

このような特徴を有することから、ミリ波・テラヘルツ波を利用して物体を測定する電磁波分光測定システムや、そのシステムによる測定結果を画像に変換する画像化システムが開発され、医療分野、電波天文学分野、物質検査技術、及びそれら診断結果等の画像処理技術など、実用的な各分野で応用されている。   Because of these characteristics, an electromagnetic spectrum measurement system that measures objects using millimeter waves and terahertz waves and an imaging system that converts the measurement results from the system into images have been developed. It is applied in various practical fields such as fields, substance inspection techniques, and image processing techniques such as diagnostic results.

一般に、テラヘルツ波分光測定では、光学スペクトルが数THzまで非常に広がっていることから超短パルスレーザーによるパルス源が利用され、これまで、多くの時間領域分光(TDS:Time Domain Spectroscopy)システムの実証に成功し、各研究分野に応用されてきた(非特許文献1参照)。   In general, terahertz wave spectroscopy uses an ultrashort pulse laser source because the optical spectrum is very wide up to several THz, and so far, many time domain spectroscopy (TDS) systems have been demonstrated. Has been successfully applied to various research fields (see Non-Patent Document 1).

しかし、そのようなシステムでは、パルスTHz信号の放出エネルギーが広帯域に分布するため、そのエネルギースペクトル密度は非常に低く、フーリエ変換の時間の長さ(通常、GHz範囲)でスペクトル解像度が制限されることになる。   However, in such a system, the emission energy of the pulsed THz signal is distributed over a wide band, so the energy spectral density is very low, and the spectral resolution is limited by the length of time of the Fourier transform (usually in the GHz range). It will be.

そこで、光源から出力された連続波(CW:Continuous Wave)の光信号を利用することにより、そのエネルギースペクトル密度を高くする方法が採用されている。そのような連続波光信号を利用した電磁波分光測定システムは、広帯域における同期や細かい周波数調整を可能とする信号発生器と、高い検出感度や非常に速い応答時間の信号検出器とから主に構成されている。   Therefore, a method of increasing the energy spectral density by using a continuous wave (CW) signal output from the light source is employed. Such an electromagnetic wave spectroscopic measurement system using a continuous wave optical signal is mainly composed of a signal generator that enables synchronization and fine frequency adjustment in a wide band, and a signal detector with high detection sensitivity and very fast response time. ing.

この数年間に、上記特徴を有する電磁波分光測定システムやその画像化システムに関する複数の報告書が提出され(非特許文献2,3参照)、それら報告書の多くでは、電磁波分光測定システムの構成要素である信号検出器として、使用が容易であるという単純な理由から、ショットキー・バリア・ダイオード検出器やボロメータが付いた直接検出器が採用されている。   In the past few years, several reports on the electromagnetic spectrum measurement system having the above characteristics and its imaging system have been submitted (see Non-Patent Documents 2 and 3). Many of these reports include components of the electromagnetic spectrum measurement system. As a signal detector, a Schottky barrier diode detector or a direct detector with a bolometer is employed for the simple reason that it is easy to use.

しかし、そのような信号検出器では信号の強度しか測定できず、被測定対象物に対する重要な追加データ(例えば、誘電率や誘電正接など)を提供する際に必要な位相情報を測定することができない。特に、直接検出器を使用した場合、一般に感度が非常に鈍く、長い信号積分時間が必要となる。   However, such signal detectors can only measure signal strength, and can measure the phase information necessary to provide important additional data (such as dielectric constant and dielectric loss tangent) for the object being measured. Can not. In particular, when a direct detector is used, the sensitivity is generally very low and a long signal integration time is required.

これより、その電磁波分光測定システムに対してヘテロダイン検波方式を採用することも考えられる。ヘテロダイン検波方式では、信号強度のみならず位相情報を検出することができることから、測定感度の向上が可能となる。   Accordingly, it is conceivable to employ a heterodyne detection method for the electromagnetic wave spectroscopy measurement system. In the heterodyne detection method, not only signal intensity but also phase information can be detected, so that measurement sensitivity can be improved.

しかし、ヘロダイン検波方式では、異なる周波数信号の放射を要するため、高精度に周波数を発生させる主信号発生器以外に他の信号発生器(局部発振器)が必要となってしまう。   However, since the Herodyne detection method requires radiation of different frequency signals, other signal generators (local oscillators) are required in addition to the main signal generator that generates the frequency with high accuracy.

以上より、従来の電磁波分光測定システムでは、システムの複雑性と性能の両方を考慮して、ホモダイン検波方式が採用されている。その理由は、信号発生器が単一であることに加え、信号検出器に位相情報を提供することにより、ヘテロダイン検波方式と同様に高い感度を得ることができるからである。   As described above, the conventional electromagnetic wave spectroscopic measurement system adopts the homodyne detection method in consideration of both the complexity and performance of the system. The reason is that, in addition to a single signal generator, by providing phase information to the signal detector, high sensitivity can be obtained as in the heterodyne detection method.

「テラヘルツ波産業」、株式会社シーエムシー出版、2011年1月24日発行、第1版、p.238-247"Terahertz wave industry", CMC Publishing Co., Ltd., published on January 24, 2011, first edition, p.238-247 I.S.Gregory、外7名、「Continuous-wave teraherts system with a 60 dB dynamic range」、APPLIED PHYSICS LETTERS 86,204104(2005)、American Institute of Physics、2005年I.S.Gregory, 7 others, "Continuous-wave teraherts system with a 60 dB dynamic range", APPLIED PHYSICS LETTERS 86,204104 (2005), American Institute of Physics, 2005 G.MOURET、外8名、「THz media characterization by measn of coherent homodyne detection, results and potential applicaitons」、Applied Physics B 89、2007年、p.395-399G.MOURET, 8 others, “THz media characterization by measn of coherent homodyne detection, results and potential applicaitons”, Applied Physics B 89, 2007, p.395-399

ここで、上述した電磁波分光測定システムに対してホモダイン検波方式を採用するには、ヘテロダイン検波をするために、電動ミラーにより光路を延長させて参照信号を遅延させる遅延線を、光源と検出器との間の光路に挿入する必要があった(図8、非特許文献2参照)。   Here, in order to adopt the homodyne detection method for the electromagnetic wave spectroscopy measurement system described above, in order to perform heterodyne detection, a delay line that extends the optical path by an electric mirror and delays the reference signal is provided with a light source and a detector. It was necessary to insert in the optical path between (refer FIG. 8, nonpatent literature 2).

ここで、信号の位相情報を得るには、制御信号により電動ミラーを駆動させて参照信号の遅延量を調節し、その時間領域での干渉波形(インターフェログラム)を測定することにより、被測定対象物を通過したTHzビームと、参照信号に基づいて検出器で励起した励起ビームとの位相関係を変化させる必要があるが、電動ミラーなどの機械的な要因が測定に影響するため、測定精度が良くないという問題や、電動ミラーの駆動系が遅く、測定時間が高速化できないという問題があった。   Here, in order to obtain the phase information of the signal, the electric mirror is driven by the control signal to adjust the delay amount of the reference signal, and the interference waveform (interferogram) in the time domain is measured to measure It is necessary to change the phase relationship between the THz beam that has passed through the object and the excitation beam excited by the detector based on the reference signal. However, measurement accuracy is affected by mechanical factors such as an electric mirror. There is a problem that the driving time of the electric mirror is slow and the measurement time cannot be increased.

また、ホモダイン検波方式では、基本的に、直流(DC:Direct Current)信号を読み取ってシステムの感度を更に向上させるため、THzビームの強度が変調され、信号振幅が信号強度の半分となることから、信号対雑音比を3−dB程度劣化させるという問題もあった。   In addition, in the homodyne detection method, in order to further improve the sensitivity of the system by reading a direct current (DC) signal, the intensity of the THz beam is modulated and the signal amplitude becomes half of the signal intensity. There is also a problem that the signal-to-noise ratio is degraded by about 3 dB.

すなわち、ホモダイン検波方式を採用した従来の電磁波分光測定システムでは、検波器への参照信号を遅延させる遅延手段として、電動ミラーなどの機械的な手段を利用していたため、測定時間や測定精度が十分でなく、システム自体の小型化が難しいという課題があった。   That is, in the conventional electromagnetic wave spectroscopic measurement system employing the homodyne detection method, mechanical means such as an electric mirror is used as a delay means for delaying the reference signal to the detector, so that the measurement time and measurement accuracy are sufficient. In addition, there was a problem that it was difficult to reduce the size of the system itself.

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、測定時間や測定精度を向上し、小型化することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to improve measurement time and measurement accuracy and to reduce the size.

請求項1記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムは、周波数の異なる2つの連続光波が合波された光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の第1の電磁波を発生させる第1のフォトミキサと、制御信号により一方の連続光波の位相を電気的に変調する光位相変調器と、前記光位相変調器で位相変調された連続光波と位相変調されていない他方の連続光波とが合波された光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の第2の電磁波を発生させる第2のフォトミキサと、被測定対象物を透過又は反射した前記第1の電磁波を受信し、前記被測定対象物を透過又は反射していない前記第2の電磁波を受信して、ホモダインミキシングするミキサと、を有することを特徴とする。   The homodyne detection electromagnetic wave spectroscopic measurement system according to claim 1 is a first photo for generating a first electromagnetic wave of millimeter wave or terahertz wave by photoelectrically converting an optical signal obtained by combining two continuous light waves having different frequencies. A mixer, an optical phase modulator that electrically modulates the phase of one continuous light wave by a control signal, and a continuous light wave that is phase-modulated by the optical phase modulator and the other continuous light wave that is not phase-modulated are combined. A second photomixer that photoelectrically converts the received optical signal to generate a second electromagnetic wave of millimeter wave or terahertz wave, and the first electromagnetic wave that is transmitted or reflected by the measurement object; A mixer that receives the second electromagnetic wave that is not transmitted or reflected from the object and performs homodyne mixing.

本発明によれば、機械的な駆動機構を有する遅延線に代えて、電気的に位相変調可能な光位相変調器を使用するため、測定時間や測定精度を向上し、小型化することができる。   According to the present invention, since the optical phase modulator capable of electrical phase modulation is used instead of the delay line having a mechanical drive mechanism, the measurement time and measurement accuracy can be improved and the size can be reduced. .

請求項2記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムは、請求項1記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムにおいて、前記制御信号の逆相の制御信号により前記第2のフォトミキサにおける前記他方の連続光波の位相を電気的に変調する光位相変調器を更に有することを特徴とする。   The homodyne detection electromagnetic wave spectroscopic measurement system according to claim 2 is the homodyne detection electromagnetic wave spectroscopic measurement system according to claim 1, wherein the other continuous light wave in the second photomixer is controlled by a control signal having a phase opposite to that of the control signal. It further has an optical phase modulator that electrically modulates the phase of.

本発明によれば、上記制御信号の逆相の制御信号により第2のフォトミキサにおける他方の連続光波の位相を電気的に変調する光位相変調器を更に有するため、効率的に位相変調できる。   According to the present invention, since the optical phase modulator that electrically modulates the phase of the other continuous light wave in the second photomixer by the control signal having the phase opposite to that of the control signal is provided, the phase modulation can be performed efficiently.

請求項3記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムは、請求項1又は2記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムにおいて、前記第1の電磁波と前記第2の電磁波とを合波する合波手段を更に有することを特徴とする。   The homodyne detection type electromagnetic wave spectroscopic measurement system according to claim 3 is the homodyne detection type electromagnetic wave spectroscopic measurement system according to claim 1 or 2, further comprising: a multiplexing means for multiplexing the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave. Furthermore, it is characterized by having.

請求項4記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムは、請求項1乃至3のいずれかに記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムにおいて、前記被測定対象物を透過又は反射した前記第1の電磁波を集光するレンズと、前記第2の電磁波を集光するレンズと、を更に有し、前記2つのレンズと、前記第2のフォトミキサと、前記2つのレンズによりそれぞれ集光された前記第1の電磁波と前記第2の電磁波とを受信してホモダインミキシングする前記ミキサとは一体であることを特徴とする。   The homodyne detection type electromagnetic wave spectroscopic measurement system according to claim 4 is the homodyne detection type electromagnetic wave spectroscopic measurement system according to any one of claims 1 to 3, wherein the first electromagnetic wave transmitted or reflected by the object to be measured is transmitted. The lens further includes a condensing lens and a lens for condensing the second electromagnetic wave, and the first lens condensed by the two lenses, the second photomixer, and the two lenses, respectively. The mixer that receives the electromagnetic wave and the second electromagnetic wave and performs homodyne mixing is integrated.

本発明によれば、被測定対象物を透過又は反射した第1の電磁波を集光するレンズと、第2の電磁波を集光するレンズと、第2のフォトミキサと、ミキサとが一体であるため、システムの構成要素を低減し、更なる小型化が実現できる。   According to the present invention, the lens that collects the first electromagnetic wave that is transmitted or reflected through the object to be measured, the lens that collects the second electromagnetic wave, the second photomixer, and the mixer are integrated. Therefore, the system components can be reduced and further downsizing can be realized.

請求項5記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムは、請求項1乃至4のいずれかに記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムにおいて、前記2つの連続光波の一方又は両方の周波数が掃引可能であることを特徴とする。   The homodyne detection electromagnetic wave spectroscopy measurement system according to claim 5 is the homodyne detection electromagnetic wave spectroscopy measurement system according to any one of claims 1 to 4, wherein one or both frequencies of the two continuous light waves can be swept. It is characterized by that.

本発明によれば、2つの連続光波の一方又は両方の周波数が掃引可能であるため、より効率的に位相変調できる。   According to the present invention, since one or both frequencies of two continuous light waves can be swept, phase modulation can be performed more efficiently.

本発明によれば、測定時間や測定精度を向上し、小型化することができる。   According to the present invention, it is possible to improve the measurement time and the measurement accuracy and reduce the size.

ホモダイン検波方式電磁波分光測定システムの全体構成例を示す図である。It is a figure which shows the example of whole structure of a homodyne detection system electromagnetic wave spectroscopy measuring system. ある制御信号に対する出力信号例を示す図である。It is a figure which shows the example of an output signal with respect to a certain control signal. ホモダイン検波方式電磁波分光測定システムの全体構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the whole structure of a homodyne detection system electromagnetic wave spectroscopy measuring system. ホモダイン検波方式電磁波分光測定システムの全体構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the whole structure of a homodyne detection system electromagnetic wave spectroscopy measuring system. ホモダイン検波方式電磁波分光測定システムの全体構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the whole structure of a homodyne detection system electromagnetic wave spectroscopy measuring system. 第3フォトミキサの断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of a 3rd photomixer. ホモダイン検波方式電磁波分光測定システムの全体構成の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the whole structure of a homodyne detection system electromagnetic wave spectroscopy measuring system. 従来のホモダイン検波方式電磁波分光測定システムの全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the conventional homodyne detection system electromagnetic wave spectroscopy measuring system.

本発明は、ホモダイン検波方式を採用した電磁波分光測定システム(以下、システム)において、従来で使用していた遅延線に代えて、制御信号により電気的に位相変調が可能な光位相変調器(フェーズモジュレータ)を使用することを主たる特徴としている。これにより、本システムにおける信号強度や位相情報に関する測定時間や測定精度を向上させ、システムそのものを小型化することができる。   The present invention relates to an optical phase modulator (phase) that can be electrically phase-modulated by a control signal in place of a delay line conventionally used in an electromagnetic wave spectroscopy measurement system (hereinafter referred to as a system) employing a homodyne detection method. The main feature is the use of a modulator. As a result, the measurement time and measurement accuracy regarding the signal intensity and phase information in this system can be improved, and the system itself can be downsized.

また、本システムでは、被測定対象物を通過した第1電磁波(THzプローブビーム)と電気的にホモダインミキシング(混合)を行う第2電磁波(励起ビーム(THz LO信号))との位相関係を変化させることができるため、被測定対象物に対して照射された第1電磁波(THzビーム)の強度を変調せずにAC周波数で位相情報信号を読み取ることができる。   In this system, the phase relationship between the first electromagnetic wave (THZ probe beam) that has passed through the object to be measured and the second electromagnetic wave (excitation beam (THZ LO signal)) that performs electrical homodyne mixing (mixing) is changed. Therefore, the phase information signal can be read at the AC frequency without modulating the intensity of the first electromagnetic wave (THZ beam) irradiated to the measurement object.

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。但し、本発明は多くの異なる様態で実施することが可能であり、本実施の形態の記載内容に限定して解釈すべきではない。   Hereinafter, an embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention can be implemented in many different modes and should not be construed as being limited to the description of the present embodiment.

図1は、システムの全体構成例を示す図である。本システムは、第1連続波光源1a及び第2連続波光源1bと、第1スプリッタ2a及び第2スプリッタ2bと、第1カプラ3a及び第2カプラ3bと、光位相変調器4と、第1フォトミキサ5a及び第2フォトミキサ5bと、THzミキサ6とで主に構成されている。   FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of a system. The system includes a first continuous wave light source 1a and a second continuous wave light source 1b, a first splitter 2a and a second splitter 2b, a first coupler 3a and a second coupler 3b, an optical phase modulator 4, and a first The photo mixer 5a, the second photo mixer 5b, and the THz mixer 6 are mainly configured.

スプリッタ2とカプラ3と光位相変調器4とは、本システムにおいて、ミリ波又はテラヘルツ波の電磁波の発生に要する光信号の信号発生器10として機能している。また、第1フォトミキサ5aは、被測定対象物100に電磁波を照射するエミッター(emitter)として機能し、第2フォトミキサ5b及びTHzミキサ6は、信号強度や位相情報を検出するディテクター(detector)として機能している。以下、それら各構成機器の機能について詳述する。   The splitter 2, the coupler 3, and the optical phase modulator 4 function as a signal generator 10 for an optical signal required for generating millimeter wave or terahertz wave electromagnetic waves in this system. The first photomixer 5a functions as an emitter that irradiates the measurement object 100 with an electromagnetic wave, and the second photomixer 5b and the THz mixer 6 detect a signal intensity and phase information. Is functioning as Hereinafter, the function of each of these components will be described in detail.

第1連続波光源1aは、周波数ωの連続光波(以下、第1CW光波)を出力し、第2連続波光源1bは、周波数ωとは異なる周波数ωの連続光波(以下、第2CW光波)を出力する機能を有する。 The first continuous wave light source 1a outputs a continuous light wave having a frequency ω 1 (hereinafter referred to as a first CW light wave), and the second continuous wave light source 1b is a continuous light wave having a frequency ω 2 different from the frequency ω 1 (hereinafter referred to as a second CW). A function of outputting a light wave).

第1スプリッタ2aは、第1CW光波を2つに分波し、第2スプリッタ2bは、第2CW光波を2つに分波する機能を有する。   The first splitter 2a has a function of demultiplexing the first CW light wave into two, and the second splitter 2b has a function of demultiplexing the second CW light wave into two.

第1カプラ3aは、第1スプリッタ2aで分波された一方の第1CW光波と第2スプリッタ2bで分波された一方の第2CW光波とを合波し、第2カプラ3bは、第1スプリッタ2aで分波された他方の第1CW光波と後述する光位相変調器4で位相変調された他方の第2CW光波とを合波する機能を有する。   The first coupler 3a combines one first CW light wave demultiplexed by the first splitter 2a and one second CW light wave demultiplexed by the second splitter 2b, and the second coupler 3b The other first CW light wave demultiplexed by 2a and the other second CW light wave phase-modulated by the optical phase modulator 4 to be described later are combined.

光位相変調器4は、第2スプリッタ2bと第2カプラ3bとの間の光路上に配置され、外部からの制御信号(位相を掃引可能な制御信号を含む)により、第2スプリッタ2bで分波された他方の第2CW光波の位相を電気的に変調する機能を有する。例えば、屈折率変化が印加電界に比例するポッケルス効果や電気光学効果を有する電気光学結晶(例えば、LiNbO3結晶等)を利用した光変調器等を用いることができる。   The optical phase modulator 4 is disposed on the optical path between the second splitter 2b and the second coupler 3b, and is separated by the second splitter 2b by an external control signal (including a control signal capable of sweeping the phase). It has a function of electrically modulating the phase of the other second CW light wave that has been waved. For example, an optical modulator using an electro-optic crystal (for example, a LiNbO 3 crystal) having a Pockels effect in which the refractive index change is proportional to the applied electric field or an electro-optic effect can be used.

第1フォトミキサ5aは、第1カプラ3aで合波された光信号(以下、THz光信号)を電気変換し、その周波数差(|ω−ω|)に一致するミリ波又はテラヘルツ波の第1電磁波(以下、THzビーム)を発生させ、被測定対象物100に照射する機能を有している。 The first photomixer 5a electrically converts the optical signal combined with the first coupler 3a (hereinafter referred to as a THz optical signal), and a millimeter wave or a terahertz wave that matches the frequency difference (| ω 1 −ω 2 |). The first electromagnetic wave (hereinafter referred to as THz beam) is generated and irradiated to the object 100 to be measured.

第2フォトミキサ5bは、第2カプラ3bで合波された光信号(以下、THz光励起信号)を電気変換し、第1フォトミキサ5aと同様に、ミリ波又はテラヘルツ波の第2電磁波(以下、励起ビーム又はTHz LO信号)を発生させる機能を有する。   The second photomixer 5b electrically converts the optical signal combined with the second coupler 3b (hereinafter referred to as THz optical excitation signal), and similarly to the first photomixer 5a, a second electromagnetic wave (hereinafter referred to as millimeter wave or terahertz wave). , Excitation beam or THz LO signal).

このような第1フォトミキサ5aや第2フォトミキサ5bとしては、例えば、単一走行キャリア・フォトダイオード(UTC−PD:Uni-Travelling-Carrier Photodiode)等を利用して実現できる。   The first photomixer 5a and the second photomixer 5b can be realized by using, for example, a single traveling carrier photodiode (UTC-PD: Uni-Travelling-Carrier Photodiode).

THzミキサ6は、被測定対象物100を透過又は反射して当該被測定対象物100の分光情報を有するTHzプローブビームを受信すると共に、被測定対象物100を透過又は反射していない第2フォトミキサ5bから発生されたTHz LO信号を受信して、非線形の電圧・電流関係のある検出器や非線形装置に結合することによりホモダインミキシングする機能を有する。このような検出器等はTHzミキサ6の内部に具備されており、例えば、ショットキー・バリア・ダイオード等を利用することができる。   The THz mixer 6 receives or transmits a THz probe beam having spectral information of the measurement object 100 through the reflection or reflection of the measurement object 100, and also transmits a second photo that does not transmit or reflect the measurement object 100. It has a function of receiving a THz LO signal generated from the mixer 5b and performing homodyne mixing by coupling to a detector or a nonlinear device having a nonlinear voltage / current relationship. Such a detector or the like is provided in the THz mixer 6, and for example, a Schottky barrier diode or the like can be used.

なお、本システムは、図1に示すように、THzプローブビームとTHz LO信号とを合波するためのハーフミラー7や、THzビームを被測定対象物100に線集光する等のTHzレンズ8も更に具備している。また、連続波光源1からフォトミキサ5までの各構成機器間は光ファイバで接続されている。   As shown in FIG. 1, the present system includes a half mirror 7 for combining the THz probe beam and the THz LO signal, and a THz lens 8 for condensing the THz beam on the object 100 to be measured. Is further provided. In addition, the constituent devices from the continuous wave light source 1 to the photomixer 5 are connected by an optical fiber.

次に、本システムの動作について説明する。本システムでは、UTC−PD等を用いた一方の第1フォトミキサ5aで周波数ωの第1CW光波と周波数ωの第2CW光波とを相互変調させることによりTHzビームを発生させ、ショットキー・バリア・ダイオード等の非線形装置を具備したTHzミキサ6で検出すると共に、他方の第2フォトミキサ5bでLO信号(ローカル信号)を発生させて同THzミキサ6で検出する。以下、詳述する。 Next, the operation of this system will be described. In the present system, a THz beam is generated by intermodulating a first CW light wave having a frequency ω 1 and a second CW light wave having a frequency ω 2 with one first photomixer 5a using a UTC-PD or the like. Detection is performed by a THz mixer 6 including a non-linear device such as a barrier diode, and an LO signal (local signal) is generated by the other second photomixer 5 b and detected by the THz mixer 6. Details will be described below.

まず、信号発生器10から出力されたTHz光信号s(t)と、第1フォトミキサ5aから発生したTHzビームsTHz(t)とは、それぞれ、以下のように数式化することができる。但し、第1フォトミキサ5aの効率を最適化するため、2つのCW光波の強度は同等とする。

Figure 2013032933
Figure 2013032933
First, the THz optical signal s e (t) output from the signal generator 10 and the THz beam s THz (t) generated from the first photomixer 5a can be respectively expressed as follows. . However, in order to optimize the efficiency of the first photomixer 5a, the intensities of the two CW light waves are equal.
Figure 2013032933
Figure 2013032933

なお、Aは、2つのCW光波の電界強度に関する定数である。φとφは、それぞれ、周波数ωの第1CW光波と周波数ωの第2CW光波との各位相である。 A is a constant related to the electric field strength of the two CW light waves. φ 1 and φ 2 are the phases of the first CW light wave having the frequency ω 1 and the second CW light wave having the frequency ω 2 , respectively.

次に、被測定対象物100を透過又は反射してTHzミキサ6に到着するTHzプローブビームsTHz(t)は次式となる。

Figure 2013032933
Next, the THz probe beam s THz (t) that arrives at the THz mixer 6 after passing through or reflecting the measurement object 100 is expressed by the following equation.
Figure 2013032933

なお、ωTHは、THzビームの周波数であり、|ω−ω|に等しい。A(ωTH)とφ(ωTH)とは、それぞれ、周波数ωTHでの強度と位相とに関する被測定対象物100のTHz分光特性である。 Note that ω TH is the frequency of the THz beam and is equal to | ω 1 −ω 2 |. A sTH ) and φ sTH ) are THz spectral characteristics of the measurement object 100 with respect to the intensity and phase at the frequency ω TH , respectively.

一方、LOとしての第2フォトミキサ5bは、THzビームの発生で用いる周波数ω及び周波数ωの2つのCW光波から構成されるTHz光励起信号で駆動する。 On the other hand, the second photo mixer 5b as LO is driven by THz light excitation signal consists of two CW light wave frequency omega 1 and the frequency omega 2 used in the generation of THz beam.

すなわち、THz LO信号のTHz光励起信号を発生させるために信号発生器10のレーザーを使用するが、このCW光波の一方は、光位相変調器4により位相変調されている。   That is, the laser of the signal generator 10 is used to generate the THz optical excitation signal of the THz LO signal, and one of the CW light waves is phase-modulated by the optical phase modulator 4.

その結果、被測定対象物100を通過したTHzプローブビームと電気的にホモダインミキシング(混合)を行う励起ビーム(THz LO信号)との位相関係を変化させることができる。   As a result, it is possible to change the phase relationship between the THz probe beam that has passed through the measurement target 100 and the excitation beam (THZ LO signal) that performs electrical homodyne mixing (mixing).

したがって、THz LO信号のTHz光励起信号s(t)とTHz LO信号sTHz−LO(t)とは、それぞれ、次式で表すことができる。

Figure 2013032933
Figure 2013032933
Therefore, the THz optical excitation signal s d (t) and the THz LO signal s THz−LO (t) of the THz LO signal can be expressed by the following equations, respectively.
Figure 2013032933
Figure 2013032933

なお、φ(t)は、光位相変調器4による位相遅れであり、制御信号k(t)の関数であることから、次式で表すことができる。

Figure 2013032933
Note that φ m (t) is a phase delay caused by the optical phase modulator 4 and is a function of the control signal k (t), and therefore can be expressed by the following equation.
Figure 2013032933

なお、mは、光位相変調器4の変調ゲイン(利得)である。式(5)では、光位相変調器4の挿入損失をゼロとするか、又は、図1に示されていない追加装置で補償している。   Here, m is a modulation gain (gain) of the optical phase modulator 4. In the equation (5), the insertion loss of the optical phase modulator 4 is set to zero or compensated by an additional device not shown in FIG.

次に、被測定対象物100の分光情報を運ぶTHzプローブビームをTHz LO信号と共にハーフミラー7で合波し、THzミキサ6において非線形の電圧・電流関係のある検出器に結合することでミキシングする。   Next, the THz probe beam carrying the spectral information of the object 100 to be measured is combined with the THz LO signal by the half mirror 7 and mixed by the THz mixer 6 by being coupled to a detector having a non-linear voltage / current relationship. .

その結果、式(3)と式(5)から、THzミキサ6からの出力信号sout(t)を次式で表すことができる。

Figure 2013032933
As a result, from the expressions (3) and (5), the output signal s out (t) from the THz mixer 6 can be expressed by the following expression.
Figure 2013032933

ここで、ユーザは制御信号k(t)を定義できることから、それ以外の全てのパラメータ(C、A、B、m)は、被測定対象物100のない校正プロセスから抽出することができる。 Here, since the user can define the control signal k (t), all other parameters (C 0 , A, B, m) can be extracted from the calibration process without the object 100 to be measured.

例えば、制御信号を図2に示す所定の時間間隔で比例する鋸歯状波に設定する場合、出力信号sout(t)は以下のように表すことができる。

Figure 2013032933
For example, when the control signal is set to a sawtooth wave proportional at a predetermined time interval shown in FIG. 2, the output signal s out (t) can be expressed as follows.
Figure 2013032933

上記から分かるとおり、出力信号は正弦信号となる。したがって、周波数m(V/t)の出力波形の最大値と相対位相を測定するだけで、被測定対象物100の強度と位相に関する分光情報を得ることができる。 As can be seen from the above, the output signal is a sine signal. Therefore, spectral information relating to the intensity and phase of the measurement object 100 can be obtained simply by measuring the maximum value and relative phase of the output waveform of the frequency m (V C / t C ).

以上より、本実施の形態によれば、ホモダイン検波方式電磁波分光測定システムにおいて、制御信号により電気的に位相変調が可能な光位相変調器を使用しているので、信号強度や位相情報に関する測定時間や測定精度を向上させ、システムそのものを小型化することができる。   As described above, according to the present embodiment, in the homodyne detection electromagnetic wave spectroscopy measurement system, the optical phase modulator that can be electrically phase-modulated by the control signal is used. And measurement accuracy can be improved, and the system itself can be miniaturized.

また、被測定対象物100を通過したTHzプローブビームとホモダインミキシング(混合)を行う励起ビームとの位相関係を電気的に変化させることができるので、機械的な遅延線を使う従来の手法よりも測定速度とシステムの信頼性において優れていると言える。   In addition, since the phase relationship between the THz probe beam that has passed through the measurement object 100 and the excitation beam that performs homodyne mixing (mixing) can be electrically changed, the conventional method using a mechanical delay line can be used. It can be said that it is excellent in measurement speed and system reliability.

更に、本システムでは、ホモダインミキシング(混合)を行うためのプローブビーム、検出器のバイアス、又は励起ビームの信号変調は不要であることから、より簡単かつ適切な信号対雑音比のシステムを構築することができる。   In addition, this system does not require signal modulation of the probe beam, detector bias, or excitation beam for homodyne mixing (mixing), so a simpler and more appropriate signal-to-noise ratio system is constructed. be able to.

以上説明した基本原理は、図3〜図5に示すように、それ以外の構成と装置を使用しても実現できる。   The basic principle described above can also be realized by using other configurations and apparatuses as shown in FIGS.

図3の構成では、上記光位相変調器4に相当する第2光位相変調器4bに対する制御信号の逆相の制御信号により、電気的に位相変調可能な第1光位相変調器4aを第1スプリッタ2aと第2カプラ3bとの間の光路上に配置している。例えば、電気位相シフターと2つの同相変調器とを使用することにより、より効率的な位相変調を行うプッシュプル動作を実現することができる。   In the configuration of FIG. 3, the first optical phase modulator 4 a that can be electrically phase-modulated by the control signal that is opposite in phase to the control signal for the second optical phase modulator 4 b corresponding to the optical phase modulator 4 is the first. It arrange | positions on the optical path between the splitter 2a and the 2nd coupler 3b. For example, by using an electric phase shifter and two in-phase modulators, a push-pull operation that performs more efficient phase modulation can be realized.

図4と図5の構成は、それぞれ、図1と図3に示す構成の別バージョンであり、THz検出器を異なる型式の検出器で置き換えている。すなわち、第2フォトミキサ5bとTHzミキサ6との両機能を一体化させた一種のフォトミキサ(以下、第3フォトミキサ5c)を使用している。   The configurations of FIGS. 4 and 5 are different versions of the configurations shown in FIGS. 1 and 3, respectively, replacing the THz detector with a different type of detector. That is, a kind of photomixer (hereinafter, third photomixer 5c) in which both functions of the second photomixer 5b and the THz mixer 6 are integrated is used.

図6に、第3フォトミキサ5cの断面図を示す。アンテナ付きSBD(ショットキー・バリア・ダイオード)で構成されるTHzミキサ6と、アンテナ付きUTC−PDで構成される第2フォトミキサ5bと、光ファイバ11とを同一パッケージ20に実装している。   FIG. 6 shows a cross-sectional view of the third photomixer 5c. A THz mixer 6 configured with an SBD (Schottky barrier diode) with an antenna, a second photomixer 5b configured with an UTC-PD with an antenna, and an optical fiber 11 are mounted in the same package 20.

このパッケージ20には、バイアス印加や信号読み出しを行う配線ピン31が適宜配置されている。外部からのTHzビームをシリコンレンズ21によりTHzミキサ(THz検出器)6に集光し、同様に内部の第2フォトミキサ(THz発生器)5bで発生したTHzビームをシリコンレンズ22によりTHzミキサ6に集光又はコリメートすることによりミキシングしている。なお、光ファイバ11とTHzミキサ6と第2フォトミキサ5bとは同軸上に配置されている。   In the package 20, wiring pins 31 for applying bias and reading signals are appropriately arranged. The THz beam from the outside is condensed on the THz mixer (THz detector) 6 by the silicon lens 21, and the THz beam generated by the internal second photomixer (THz generator) 5 b is similarly obtained by the silicon lens 22 by the THz mixer 6 The light is condensed or collimated to mix. The optical fiber 11, the THz mixer 6 and the second photomixer 5b are arranged on the same axis.

作製上、THzミキサ6と第2フォトミキサ5bとをそれぞれ別のパッケージ20a,20bで作製し、特性を評価した後に、固定点において公知の方法で接合してもよい。   In manufacturing, the THz mixer 6 and the second photomixer 5b may be manufactured in separate packages 20a and 20b, and their characteristics may be evaluated, and then bonded at a fixed point by a known method.

このような構成でTHz検出器として使用される第3フォトミキサ5cはTHz光励起信号で励起し、そのままホモダインミキシングを行うことができる。その結果、ビームスプリッタ等の装置や部品を低減することや、システム全体の更なる小型化が実現できる。   The third photomixer 5c used as a THz detector in such a configuration can be excited with a THz light excitation signal and perform homodyne mixing as it is. As a result, it is possible to reduce devices and parts such as a beam splitter, and to further reduce the size of the entire system.

図7の構成は、図3の構成において、第1連続波光源1a及び第2連続波光源1bの各周波数を外部制御装置50により掃引することにより、被測定対象物100に照射するためのTHzビームを生成する第1フォトミキサ5aを不要とした例である。   The configuration of FIG. 7 is the THz for irradiating the object 100 to be measured by sweeping the frequencies of the first continuous wave light source 1a and the second continuous wave light source 1b by the external control device 50 in the configuration of FIG. This is an example in which the first photomixer 5a for generating a beam is unnecessary.

本構成例では、任意の広帯域なTHz信号源51が用いられる。THz信号源51の強度Asignalや位相φsignalが既知の場合には、ある周波数ωにおける検出器側に到着するTHzビームを式(3)と同様に表現できる。但し、式(3)のAは強度Asignalであり、同式のφ1−φ2は位相φsignalである。 In this configuration example, an arbitrary broadband THz signal source 51 is used. When the intensity A signal and the phase φ signal of the THz signal source 51 are known, the THz beam arriving at the detector side at a certain frequency ω can be expressed in the same manner as in Expression (3). However, A2 of Formula (3) is intensity | strength Asignal , (phi) 1- ( phi) 2 of the same formula is phase (phi) signal .

また、周波数ω及び周波数ωの2つのCW光波の一方又は両方の周波数を変化させることにより、式(5)における周波数ωTH(=|ω−ω|)を変化させることができる。被測定対象物100の分光情報を運ぶTHzプローブビームをTHz LO信号と共にハーフミラー7で合波し、非線形の電圧・電流関係のある検出器に結合することでミキシングし、位相差φ1−φ2が既知であれば、任意の周波数における強度と位相に関する被測定対象物100のTHz分光特性を得ることができる。なお、サンプルを除いた構成とすれば、未知の信号源の強度や位相の周波数特性を得ることもできる。 Further, the frequency ω TH (= | ω 1 −ω 2 |) in the equation (5) can be changed by changing the frequency of one or both of the two CW light waves of the frequency ω 1 and the frequency ω 2. . The THz probe beam carrying the spectral information of the object 100 to be measured is combined by the half mirror 7 together with the THz LO signal, and mixed by combining with a detector having a non-linear voltage / current relationship. If known, it is possible to obtain the THz spectral characteristics of the measurement object 100 relating to the intensity and phase at an arbitrary frequency. In addition, if it is set as the structure except a sample, the intensity | strength of an unknown signal source and the frequency characteristic of a phase can also be obtained.

1a…第1連続波光源
1b…第2連続波光源
2a…第1スプリッタ
2b…第2スプリッタ
3a…第1カプラ
3b…第2カプラ
4…光位相変調器
4a…第1位相変調器
4b…第2位相変調器
5a…第1フォトミキサ
5b…第2フォトミキサ
5c…第3フォトミキサ
6…THzミキサ
7…ハーフミラー
8…THzレンズ
10…信号発生器
11…光ファイバ
20、20a、20b…パッケージ
21、22…シリコンレンズ
31…配線ピン
50…外部制御装置
51…THz信号源
100…被測定対象物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... 1st continuous wave light source 1b ... 2nd continuous wave light source 2a ... 1st splitter 2b ... 2nd splitter 3a ... 1st coupler 3b ... 2nd coupler 4 ... Optical phase modulator 4a ... 1st phase modulator 4b ... 1st 2 phase modulator 5a ... 1st photomixer 5b ... 2nd photomixer 5c ... 3rd photomixer 6 ... THz mixer 7 ... half mirror 8 ... THz lens 10 ... signal generator 11 ... optical fiber 20, 20a, 20b ... package DESCRIPTION OF SYMBOLS 21, 22 ... Silicon lens 31 ... Wiring pin 50 ... External control device 51 ... THz signal source 100 ... Object to be measured

Claims (5)

周波数の異なる2つの連続光波が合波された光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の第1の電磁波を発生させる第1のフォトミキサと、
制御信号により一方の連続光波の位相を電気的に変調する光位相変調器と、
前記光位相変調器で位相変調された連続光波と位相変調されていない他方の連続光波とが合波された光信号を光電変換してミリ波又はテラヘルツ波の第2の電磁波を発生させる第2のフォトミキサと、
被測定対象物を透過又は反射した前記第1の電磁波を受信し、前記被測定対象物を透過又は反射していない前記第2の電磁波を受信して、ホモダインミキシングするミキサと、
を有することを特徴とするホモダイン検波方式電磁波分光測定システム。
A first photomixer that photoelectrically converts an optical signal obtained by combining two continuous light waves having different frequencies to generate a first electromagnetic wave of a millimeter wave or a terahertz wave;
An optical phase modulator that electrically modulates the phase of one continuous light wave with a control signal;
A second electromagnetic wave that generates a second millimeter wave or terahertz wave by photoelectrically converting an optical signal obtained by combining the continuous light wave phase-modulated by the optical phase modulator and the other continuous light wave that is not phase-modulated; Photo mixer
A mixer that receives the first electromagnetic wave transmitted or reflected through the object to be measured, receives the second electromagnetic wave not transmitted or reflected through the object to be measured, and performs homodyne mixing;
A homodyne detection electromagnetic wave spectroscopic measurement system characterized by comprising:
前記制御信号の逆相の制御信号により前記第2のフォトミキサにおける前記他方の連続光波の位相を電気的に変調する光位相変調器を更に有することを特徴とする請求項1記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システム。   The homodyne detection system according to claim 1, further comprising an optical phase modulator that electrically modulates the phase of the other continuous light wave in the second photomixer by a control signal having a phase opposite to that of the control signal. Electromagnetic spectrum measurement system. 前記第1の電磁波と前記第2の電磁波とを合波する合波手段を更に有することを特徴とする請求項1又は2記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システム。   The homodyne detection electromagnetic wave spectroscopic measurement system according to claim 1 or 2, further comprising multiplexing means for multiplexing the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave. 前記被測定対象物を透過又は反射した前記第1の電磁波を集光するレンズと、前記第2の電磁波を集光するレンズと、を更に有し、
前記2つのレンズと、前記第2のフォトミキサと、前記2つのレンズによりそれぞれ集光された前記第1の電磁波と前記第2の電磁波とを受信してホモダインミキシングする前記ミキサとは一体であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システム。
A lens that condenses the first electromagnetic wave transmitted or reflected from the object to be measured; and a lens that condenses the second electromagnetic wave;
The two lenses, the second photomixer, and the mixer that receives and homodyne-mixes the first electromagnetic wave and the second electromagnetic wave respectively collected by the two lenses are integrated. The homodyne detection electromagnetic wave spectroscopy measurement system according to any one of claims 1 to 3.
前記2つの連続光波の一方又は両方の周波数が掃引可能であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システム。   5. The homodyne detection electromagnetic wave spectroscopy measurement system according to claim 1, wherein one or both of the two continuous light waves can be swept.
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