JP2013195070A

JP2013195070A - テラヘルツ波測定装置

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Publication number: JP2013195070A
Application number: JP2012059118A
Authority: JP
Inventors: Noritaka Hara; 徳隆原; Yoichi Hosokawa; 洋一細川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】構成が簡易であり、測定周期が広帯域で可変なテラヘルツ波測定装置を提供する。
【解決手段】光パルスを発生するパルス光源と、光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する第１の光伝導アンテナと、光パルスおよび第１の光伝導アンテナにより発生し計測対象の試料を透過したテラヘルツ波が照射され、テラヘルツ波に基づく電流を発生する第２の光伝導アンテナと、を備え、パルス光源は、入力光を第１の変調信号で変調して光パルスを発生させる第１のＬＮ変調器と、光パルスのチャープを補償する分散補償器と、光パルスを、第１の変調信号と同期し光パルスのうち特定の一部の光パルスのみが出力されるように設定された信号パターンを有する第２の変調信号で変調することにより、特定の一部の光パルスを出力する第２のＬＮ変調器と、を備え、第１の変調信号の周波数を掃引することにより、繰り返し周波数が掃引された光パルスを発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波発生装置に関する。

近年、テラヘルツ波（ミリ波・サブミリ波を含む周波数３０ＧＨｚ〜１２ＴＨｚの電磁波）を利用した分光計測の研究が行われている。テラヘルツ波による分光計測系は、テラヘルツ波発生アンテナに光パルスを照射することによりテラヘルツ波を発生させ、一方、テラヘルツ波検出アンテナに光パルスを照射するとともに測定対象の試料を透過したテラヘルツ波を入射させるように構成される。テラヘルツ波検出アンテナに入射されるテラヘルツ波に対して光パルスが少しずつ異なる時間差を持つようにすることで、試料を透過後のテラヘルツ波の時間波形を測定（時間領域分光計測）することができる。テラヘルツ波と光パルスに時間差をつけるために、特許文献１では、移動式の折り返しミラーによる遅延光学系を用いて光パルスの光路長を可変にしている。また、特許文献２では、テラヘルツ波発生アンテナとテラヘルツ波検出アンテナにそれぞれ照射する光パルスの繰り返し周波数を異ならせている。

再公表ＷＯ００／０７９２４８号公報再公表ＷＯ２００６／０９２８７４号公報

しかしながら、特許文献１では、ミラーを機械的に移動させる必要があるため光学系の構成が複雑になり、可動部分があることにより測定のスピードが遅く安定性も良くない、という問題がある。また、特許文献２では、繰り返し周波数の異なる２つのパルス光源を用いなければならないため、構成が複雑になり装置の大型化を招くという問題がある。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構成が簡易なテラヘルツ波測定装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、光パルスを発生するパルス光源と、前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する第１の光伝導アンテナと、前記光パルスおよび前記第１の光伝導アンテナにより発生し計測対象の試料を透過したテラヘルツ波が照射され、前記テラヘルツ波に基づく電流を発生する第２の光伝導アンテナと、を備え、前記パルス光源から出力されて前記第１の光伝導アンテナに照射される光パルスが伝搬する光路と前記第１の光伝導アンテナから放射され前記第２の光伝導アンテナへ入射するテラヘルツ波が伝搬する経路とを合わせた第１の光路長と、前記パルス光源から出力されて前記第２の光伝導アンテナに照射される光パルスが伝搬する光路による第２の光路長とが差を有するように設定され、前記パルス光源は、入力光を第１の変調信号で変調して光パルスを発生させる第１のＬＮ変調器と、前記光パルスのチャープを補償する分散補償器と、前記光パルスを、前記第１の変調信号と同期し前記光パルスのうち特定の一部の光パルスのみが出力されるように設定された信号パターンを有する第２の変調信号で変調することにより、前記特定の一部の光パルスを出力する第２のＬＮ変調器と、を備え、前記第１の変調信号の周波数を掃引することにより、繰り返し周波数が掃引された前記光パルスを発生することを特徴とするテラヘルツ波測定装置である。

また、本発明は、上記のテラヘルツ波測定装置において、前記第１の光路長と前記第２の光路長が差を有するように光路長を調整する遅延光学系を備えることを特徴とする。

また、本発明は、上記のテラヘルツ波測定装置において、前記パルス光源からの光パルスを分周して複数に分離する光スイッチを備え、前記分離した光パルスによって発生させた複数の前記テラヘルツ波を前記試料の複数箇所に照射することにより、前記試料の複数箇所の分光計測を行うことを特徴とする。

本発明によれば、構成が簡易であり、測定周期が広帯域で可変なテラヘルツ波測定装置を実現することができる。

本発明の実施形態によるテラヘルツ波測定装置の構成を示す図である。テラヘルツ波発生アンテナの構成を示す図である。テラヘルツ波検出アンテナの構成を示す図である。パルス光源の構成を示す図である。光周波数コム発生器の出力光のパワーＰ（ｔ）を模式的に示す図である。分散補償器の出力光のパワーＰ（ｔ）を模式的に示す図である。マッハツェンダー型光変調器の透過率の時間変化及び光強度変調器の出力光のパワーＰ（ｔ）を模式的に示す図である。本発明の実施形態によるテラヘルツ波測定装置（変形例）の構成を示す図である。本発明の実施形態によるテラヘルツ波測定装置（変形例）の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態によるテラヘルツ波測定装置１の構成を示す図である。テラヘルツ波測定装置１は、パルス光源１０、テラヘルツ波発生アンテナ３０、テラヘルツ波検出アンテナ４０を含んで構成されている。

パルス光源１０は、テラヘルツ波発生アンテナ３０およびテラヘルツ波検出アンテナ４０を励起するための光パルスを発生する光源であり、例えば、１．５μｍ帯（１４９０ｎｍ〜１６４０ｎｍ）のフェムト秒パルスレーザ光（パルス幅：〜２００ｆｓ）を発生するパルス光源が用いられる。パルス光源１０の詳細な構成については後述する。

テラヘルツ波発生アンテナ３０およびテラヘルツ波検出アンテナ４０は、温度３００℃程度以下で膜成長させた低温成長ＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板上にダイポールアンテナを形成した構成の光伝導アンテナである。テラヘルツ波発生アンテナ３０には、ハーフミラーＭ１、遅延光学系Ｍ２およびＭ３、レンズＬ１を介してパルス光源１０からの光パルスが照射され、テラヘルツ波検出アンテナ４０には、ハーフミラーＭ１、ミラーＭ４、レンズＬ２を介してパルス光源１０からの光パルスが照射される。また、テラヘルツ波検出アンテナ４０には、テラヘルツ波発生アンテナ３０で発生したテラヘルツ波ＴＷが、レンズＬ３、ミラーＭ５、試料Ｓ、ミラーＭ６、レンズＬ４を介して入射される。

図２に、テラヘルツ波発生アンテナ３０の構成を示す。テラヘルツ波発生アンテナ３０のダイポールアンテナ３０２にはＤＣ電源６０が接続され、ダイポールアンテナ３０２を構成する２つの電極のギャップＧ間にバイアス電界が印加される。この状態でダイポールアンテナ３０２のギャップＧにパルス光源１０からのフェムト秒の光パルスが照射されると、基板３０１内には光パルスによって寿命が〜３００ｆｓ程度のキャリア（自由電子）が生成され、このキャリアがバイアス電界により加速されて、１ｐｓ以下程度の時間幅を有するパルス状の瞬時電流が生じる。この瞬時電流によって、瞬時電流の時間微分に比例した強度分布を持つ電磁波、すなわちテラヘルツ波ＴＷが放射される。これがテラヘルツ波の発生原理である。

図３に、テラヘルツ波検出アンテナ４０の構成を示す。テラヘルツ波検出アンテナ４０においては、パルス光源１０からのフェムト秒の光パルスをダイポールアンテナ４０２を構成する２つの電極のギャップＧに照射するとともに、テラヘルツ波発生アンテナ３０により発生し試料Ｓを透過したテラヘルツ波ＴＷを入射させる。光パルスとテラヘルツ波ＴＷがテラヘルツ波検出アンテナ４０に同時に入射するように、遅延光学系（ミラー）Ｍ２，Ｍ３により光路長が固定値に調整されている。すると、基板４０１内には光パルスによってキャリアが生成され、このキャリアがテラヘルツ波ＴＷの振動電場により加速されて、テラヘルツ波ＴＷの振動電場に比例して瞬時電流が流れる。この瞬時電流を増幅器８０で増幅後に電流計９０で測定することによって、テラヘルツ波ＴＷを検出することができる。これがテラヘルツ波の検出原理である。

ここで、テラヘルツ波の時間波形は、テラヘルツ波発生アンテナ３０およびテラヘルツ波検出アンテナ４０の感度にもよるが、例えば２００ｐｓ程度の時間幅を持つ。このようなテラヘルツ波と、それに対して極めて時間幅の狭い（上記のとおり、〜２００ｆｓ）光パルスとがテラヘルツ波検出アンテナ４０に到達した時、発生する上述の瞬時電流は、テラヘルツ波の時間波形の中の、テラヘルツ波と光パルスが時間的に重なった部分における瞬間的な強度に依存したものとなる。すなわち、光パルスがテラヘルツ波検出アンテナ４０に照射される毎に、幅広のテラヘルツ波のある一瞬が切り取られて、テラヘルツ波の強度が測定される。したがって、少しずつ時間差をつけた多数の光パルスを用いれば、テラヘルツ波の全体の時間波形を測定（時間領域分光計測）することができる。

本テラヘルツ波測定装置１では、テラヘルツ波の時間波形を測定するために、パルス光源１０から出力される光パルスの繰り返し周波数を、周波数幅Δｆで掃引する。光パルスの繰り返し周波数を変化させることにより、テラヘルツ波と光パルスがテラヘルツ波検出アンテナ４０に到達する時刻の時間軸上における相対位置が変化する。よって、光パルスの繰り返し周波数を幅Δｆで掃引した時、テラヘルツ波を基準として見ると光パルスが時間軸を動いていくことになる。光パルスが動く時間幅Δτは、次式（Ａ）のように表される。

但し、図１において、ハーフミラーＭ１からテラヘルツ波発生アンテナ３０を通ってテラヘルツ波検出アンテナ４０までの光路と、ハーフミラーＭ１からミラーＭ４を通ってテラヘルツ波検出アンテナ４０までの光路との光路長差をＬとする。すなわち、光路長差Ｌは、パルス光源１０から出力されてテラヘルツ波発生アンテナ３０に照射される光パルスが伝搬する光路の光路長をＬ１、テラヘルツ波発生アンテナ３０から放射されテラヘルツ波検出アンテナ４０へ入射するテラヘルツ波が伝搬する経路の長さをＬ２、パルス光源１０から出力されてテラヘルツ波検出アンテナ４０に照射される光パルスが伝搬する光路の光路長をＬ３とした時、第１の光路長Ｌ１＋Ｌ２と第２の光路長Ｌ３の差分としてＬ＝｜（Ｌ１＋Ｌ２）−Ｌ３｜で表される長さである。また、光パルスの繰り返し周波数をｆ、光速をｃとする。

上式（Ａ）のように、光パルスの繰り返し周波数を周波数幅Δｆで掃引することでテラヘルツ波に対して光パルスが時間幅Δτで動くので、繰り返し周波数を周波数掃引して発生させた多数の光パルスを用いて、時間幅Δτ程度の広がりを持つテラヘルツ波の時間波形を測定することが可能である。一例として、ｆ＝１ＧＨｚ、Ｌ＝６ｍとすると、Δτ＝２００ｐｓのテラヘルツ波の時間波形を測定するには、光パルスの繰り返し周波数の周波数掃引幅をΔｆ＝１０ＭＨｚとすればよい。そして、例えば掃引のステップを０．１ＭＨｚとすれば、測定ポイントは１００ポイントとなり、Δτ＝２００ｐｓのテラヘルツ波を２ｐｓの分解能で測定することができる。

次に、パルス光源１０の詳細を説明する。
図４は、本発明の実施形態によるパルス光源１０の構成を示す図である。

パルス光源１０は、光源１１０、光周波数コム発生器１２０、分散補償器１３０、光強度変調器１４０、光パルス圧縮器１５０、及び信号発生器１６０を備える。
また、光周波数コム発生器１２０は、マッハツェンダー型光変調器１２１、増幅器１２３、可変増幅器１２４、及びバイアス電圧供給部１２５を備える。
また、光強度変調器１４０は、マッハツェンダー型光変調器１４１、位相調整器１４３、及びバイアス電圧供給部１４５を備える。
また、光パルス圧縮器１５０は、第１光増幅器１５１、非線形圧縮器１５２、及び第２光増幅器１５３を備える。

光源１１０は、例えばレーザ光源であり、所定波長の連続光を発生させる。一例として、波長１．５５μｍ帯のＤＦＢ（分布帰還型）レーザを光源１１０に用いることができる。光源１１０の出射端は、例えば光ファイバによって、マッハツェンダー型光変調器１２１の入力導波路１２１１と接続されている。

信号発生器１６０は、所定の周波数の変調信号ＳＩＧ１（例えば正弦波）を発生させ、光周波数コム発生器１２０へ供給する。信号発生器１６０の変調信号ＳＩＧ１を出力する出力部は、光周波数コム発生器１２０の増幅器１２３及び可変増幅器１２４に接続されている。また、信号発生器１６０は、変調信号ＳＩＧ１と同期した変調信号ＳＩＧ２を発生させ、光強度変調器１４０へ供給する。信号発生器１６０の変調信号ＳＩＧ２を出力する出力部は、光強度変調器１４０の位相調整器１４３に接続されている。変調信号ＳＩＧ１と変調信号ＳＩＧ２が同期しているとは、変調信号ＳＩＧ１の周波数と変調信号ＳＩＧ２の周波数が一致するか、または変調信号ＳＩＧ２の周波数が変調信号ＳＩＧ１の周波数の整数分の１であることを意味する。例えば、信号発生器１６０はその内部で発生させた共通のマスタークロックを周波数逓倍することによって、このような変調信号ＳＩＧ１，ＳＩＧ２を発生させることができる。変調信号ＳＩＧ１及びＳＩＧ２の詳細については後述する。なお、変調信号ＳＩＧ１を発生させる信号発生器と変調信号ＳＩＧ２を発生させる信号発生器とを別個に設けた構成としてもよい。

マッハツェンダー型光変調器１２１は、入力導波路１２１１、２つの分岐導波路１２１２Ａ，１２１２Ｂ、出力導波路１２１３、変調電極１２１４Ａ，１２１４Ｂ、及びバイアス電極１２１５を有する。分岐導波路１２１２Ａ及び１２１２Ｂは、それぞれ入力導波路１２１１と出力導波路１２１３に接続されている。出力導波路１２１３は、分散補償器１３０の入射端に接続されている。入力導波路１２１１、分岐導波路１２１２Ａ，１２１２Ｂ、及び出力導波路１２１３により、マッハツェンダー干渉計が構成される。変調電極１２１４Ａは、分岐導波路１２１２Ａ上に、また変調電極１２１４Ｂは、分岐導波路１２１２Ａ上若しくは１２１２Ｂ上のいずれか、又はその両方に、それぞれ形成されている。バイアス電極１２１５は、分岐導波路１２１２Ｂ上に形成されている。このマッハツェンダー型光変調器１２１は、例えば、ＺカットＬＮ基板上に各導波路と各電極を形成したＬＮ変調器を用いることができる。この構成により、マッハツェンダー型光変調器１２１は、２つの分岐導波路１２１２Ａ，１２１２Ｂを伝搬する光が受ける位相を独立に制御可能である。

増幅器１２３は、信号発生器１６０からの変調信号ＳＩＧ１を所定の増幅率で増幅する。増幅器１２３の出力部は、マッハツェンダー型光変調器１２１の変調電極１２１４Ａに接続されている。可変増幅器１２４は、信号発生器１６０からの変調信号ＳＩＧ１を所定の増幅率で増幅する。可変増幅器１２４の出力部は、マッハツェンダー型光変調器１２１の変調電極１２１４Ｂに接続されている。増幅器１２３と可変増幅器１２４の増幅率は、それぞれ、変調電極１２１４Ａ，１２１４Ｂに印加される変調信号ＳＩＧ１の振幅が後述する式（１０）の条件を満たすように、設定がなされている。

バイアス電圧供給部１２５は、マッハツェンダー型光変調器１２１にバイアス電圧を供給する。このバイアス電圧は、後述する式（１１）の条件が満たされるように、設定がなされている。バイアス電圧供給部１２５の出力部は、マッハツェンダー型光変調器１２１のバイアス電極１２１５に接続されている。

分散補償器１３０は、所定（後述）の分散特性を有しており、光周波数コム発生器１２０からの光パルス（後述）を狭窄化して出力する。この分散補償器１３０として、例えば、分散が上記所定の特性を持った光ファイバを用いることができるが、光ファイバ以外の光学素子を用いてもよい。

マッハツェンダー型光変調器１４１は、入力導波路１４１１、２つの分岐導波路１４１２Ａ，１４１２Ｂ、出力導波路１４１３、変調電極１４１４、及びバイアス電極１４１５を有する。入力導波路１４１１は、分散補償器１３０の出射端に接続されている。分岐導波路１４１２Ａ及び１４１２Ｂは、それぞれ入力導波路１４１１と出力導波路１４１３に接続されている。入力導波路１４１１、分岐導波路１４１２Ａ，１４１２Ｂ、及び出力導波路１４１３により、マッハツェンダー干渉計が構成される。変調電極１４１４は、分岐導波路１４１２Ａと１４１２Ｂの間に形成されている。バイアス電極１４１５は、分岐導波路１４１２Ｂ上に形成されている。このマッハツェンダー型光変調器１４１は、例えば、ＸカットＬＮ基板上に各導波路と各電極を形成したＬＮ変調器を用いることができる。この構成により、マッハツェンダー型光変調器１４１は、プッシュプル駆動が可能となり、チャープの発生をゼロとすることができる。なお、プッシュプル駆動が可能な他の電極構成を用いてもよい。

位相調整器１４３は、分散補償器１３０からの光パルス列（後述）と信号発生器１６０からの変調信号ＳＩＧ２の位相（タイミング）が一致するよう、変調信号ＳＩＧ２の位相を調整する。位相調整器１４３の出力部は、マッハツェンダー型光変調器１４１の変調電極１４１４に接続されている。

バイアス電圧供給部１４５は、マッハツェンダー型光変調器１４１に所定のバイアス電圧を供給する。バイアス電圧供給部１４５の出力部は、マッハツェンダー型光変調器１４１のバイアス電極１４１５に接続されている。

第１光増幅器１５１は、光強度変調器１４０から出力される光パルス（後述）を、非線形圧縮器１５２において非線形現象が起きるのに必要な程度のパワーにまで増幅する。第１光増幅器１５１として、例えばＥＤＦＡ（エルビウム・ドープ・ファイバ・アンプ）を用いることができる。

非線形圧縮器１５２は、光パルスを圧縮する装置であり、一例として、高非線形ファイバと高分散ファイバを交互に接続して構成されたファイバモジュールを用いる。各ファイバの長さは、断熱圧縮条件を満たすように設定される。これにより、非線形圧縮器１５２は、入力された光パルスのパルス幅を狭めながらピークパワーを増大させることで光パルスを断熱圧縮（ソリトン圧縮）する。

第２光増幅器１５２は、非線形圧縮器１５２によって圧縮された光パルスを、パルス光源１０の最終的な出力パワーとして要求されるパワーまで増幅する。第２光増幅器１５２へ入力される光パルスは、非線形圧縮器１５２により極めて細いパルス幅に圧縮されているため、そのスペクトル帯域幅は４０ｎｍ程度にまで拡大している。よって、第２光増幅器１５２としては、広帯域で増幅が可能なものを用いることが望ましい。

次に、上記のように構成されたパルス光源１０の動作を説明する。
光源１１０により発生された光は、光周波数コム発生器１２０のマッハツェンダー型光変調器１２１へ入力される。マッハツェンダー型光変調器１２１において、この光は、入力導波路１２１１から分岐導波路１２１２Ａ，１２１２Ｂへ分岐されて、各分岐導波路中を伝搬する。このとき、分岐導波路１２１２Ａ，１２１２Ｂを伝搬している間に、伝搬光は、変調電極１２１４Ａ，１２１４Ｂ及びバイアス電極１２１５からの電界に応じて位相変化を受ける。そして、この位相変化を受けた光は、出力導波路１２１３で再び合波される。

ここで、マッハツェンダー型光変調器１２１への入力光の振幅と周波数をそれぞれＥ_０，ω_０とし、分岐導波路１２１２Ａと１２１２Ｂにおいて伝搬光が受ける位相変化をそれぞれθ_１，θ_２とすると、出力導波路１２１３で合波後の光、すなわち光周波数コム発生器１２０の出力光（マッハツェンダー型光変調器１２１の出力光）の振幅の時間変化Ｅ（ｔ）は、次式（１）のように表される。
Ｅ（ｔ）＝Ｅ_０［ｓｉｎ（ω_０ｔ＋θ_１）＋ｓｉｎ（ω_０ｔ＋θ_２）］／２ …（１）

但し、
θ_１＝Ａ_１ｓｉｎ（ω_ｍｔ）＋Ｂ_１ …（２）
θ_２＝Ａ_２ｓｉｎ（ω_ｍｔ）＋Ｂ_２ …（３）
ω_ｍ＝２πｆ_ｍ …（４）
Ａ_１：変調電極１２１４Ａにより分岐導波路１２１２Ａの伝搬光へ与えられる変調の振幅
Ａ_２：変調電極１２１４Ｂにより分岐導波路１２１２Ｂの伝搬光へ与えられる変調の振幅
Ｂ_１：バイアス電極１２１５により分岐導波路１２１２Ａの伝搬光へ与えられる位相
Ｂ_２：バイアス電極１２１５により分岐導波路１２１２Ｂの伝搬光へ与えられる位相
ｆ_ｍ：信号発生器１６０が発生する変調信号ＳＩＧ１の変調周波数
である。

上式（１）から、光周波数コム発生器１２０の出力光のパワーＰ（ｔ）と周波数ω（ｔ）は、それぞれ次式（５），（６）のように表すことができる。
Ｐ（ｔ）＝Ｐ_０［１＋ｃｏｓ｛ΔＡｓｉｎ（ω_ｍｔ）＋Δθ｝］／２ …（５）
ω（ｔ）＝ω_０＋ω_ｍＡｓｉｎ（ω_ｍｔ） …（６）
但し、
ΔＡ＝Ａ_１−Ａ_２ …（７）
Δθ＝Ｂ_１−Ｂ_２ …（８）
Ａ＝（Ａ_１＋Ａ_２）／２ …（９）
である。また、Ｐ_０はマッハツェンダー型光変調器１２１への入力光のパワーである。

図５に、光周波数コム発生器１２０の出力光のパワーＰ（ｔ）を模式的に示す。但し、同図はｆ_ｍ＝１０ＧＨｚの例である。この図から分かるように、光周波数コム発生器１２０から出力される光は、複数の光パルスｐ_ａ１，ｐ_ａ２，ｐ_ａ３，ｐ_ａ４，…が等しい時間間隔で並んだ光パルス列Ｐ_Ａとなる。図の例では、各光パルスの時間間隔は１００ｐｓ（繰り返し周波数１０ＧＨｚ）であり、パルス幅は５０ｐｓ程度である。なお、上式（６）によれば、各光パルスにおいて、周波数は光パルスの先端Ｓから末端Ｅに向かって（時間ｔが大きくなるにつれて）増加する。すなわち、光周波数コム発生器１２０から出力される各光パルスには、正のチャープがかかっている。

ここで、上式（５）から、ΔＡ及びΔθの値に応じて光パルスの波形Ｐ（ｔ）は変化する。これは、ΔＡ及びΔθの値によっては光パルスの波形に歪みが生じることを意味する。このような歪みのない光パルスが得られる条件の１つとして、次式（１０）及び（１１）が満たされればよいことが知られている（例えば、特開２００７−２４８６６０号公報、特開２０１２−３２４３８号公報を参照）。
ΔＡ＝０．５π …（１０）
Δθ＝０．５π …（１１）

したがって、変調電極１２１４Ａ，１２１４Ｂに印加される変調信号ＳＩＧ１による変調振幅が式（１０）の条件を満たすように、増幅器１２３と可変増幅器１２４の増幅率を設定しておくとともに、バイアス電極１２１５に印加されるバイアス電圧により付与される位相が式（１１）の条件を満たすように、バイアス電圧を設定しておくことで、光周波数コム発生器１２０の出力光を、歪みのない光パルスが並んだ光パルス列（図５）とすることができる。

以上のようにして光周波数コム発生器１２０から出力された光パルスは、分散補償器１３０へ入力されて狭窄化される。光周波数コム発生器１２０からの光パルスは上述のとおり正のチャープを持っている。この光パルスを狭窄化するために、分散補償器１３０として、長波長（低周波数）の光成分（光パルスの前半部分）に対する群速度が大きく、短波長（高周波数）の光成分（光パルスの後半部分）に対する群速度が小さい分散特性を有した光ファイバを採用する。例えば、波長１．３μｍ帯で分散がゼロとなり線形の分散を有した１．３μｍ帯通信用シングルモードファイバを用いることができる。このような特性の分散補償器１３０を通過することにより、各光パルスはそのパルス幅が細くなる。図６に、分散補償器１３０の出力光のパワーＰ（ｔ）を模式的に示す。同図に示されるように、分散補償器１３０から出力される光は、狭窄化された光パルスｐ_ｂ１，ｐ_ｂ２，ｐ_ｂ３，ｐ_ｂ４，…が並んだ光パルス列Ｐ_Ｂとなる。例えば、分散補償器１３０を通過後の各光パルスのパルス幅は、２．５ｐｓ程度である。

こうして分散補償器１３０から出力された光（光パルス列Ｐ_Ｂ）は、光強度変調器１４０へ入力されて、マッハツェンダー型光変調器１４１において変調信号ＳＩＧ２による強度変調を受ける。マッハツェンダー型光変調器１４１を駆動する変調信号ＳＩＧ２の信号パターンは、光パルス列Ｐ_Ｂを構成する光パルスのうち特定の一部の光パルスのみがマッハツェンダー型光変調器１４１から出力されるような信号パターンとする。すなわち、マッハツェンダー型光変調器１４１は、変調信号ＳＩＧ２で駆動されることにより、上記特定の光パルスを透過させ、それ以外の光パルスを遮断するように動作する。このような信号パターンは、本パルス光源１０からどのような光パルス列を出力したいかに応じて任意のパターンを設定可能である。

一例として、図７に、変調信号ＳＩＧ１を２分周したものを変調信号ＳＩＧ２に用いた場合の、マッハツェンダー型光変調器１４１の透過率の時間変化及び光強度変調器１４０の出力光のパワーＰ（ｔ）を模式的に示す。変調信号ＳＩＧ２の周波数が変調信号ＳＩＧ１の周波数の２分の１であるため、この例におけるマッハツェンダー型光変調器１４１の透過率は、図示されるように、光強度変調器１４０へ入力される光パルスの繰り返し周期の２倍の繰り返し周期で高透過率と低透過率を繰り返すものとなる。したがって、このような変調信号ＳＩＧ２でマッハツェンダー型光変調器１４１を駆動することにより、光パルス列Ｐ_Ｂを構成する一連の各光パルスは、交互に、マッハツェンダー型光変調器１４１を透過し、またはマッハツェンダー型光変調器１４１によって遮断される。すなわち、マッハツェンダー型光変調器１４１からは、図７のように、光パルス列Ｐ_Ｂを構成する光パルスを１つ置きに間引いた光パルスｐ_ｃ１，ｐ_ｃ３，ｐ_ｃ５，…からなる光パルス列Ｐ_Ｃが出力されてくる。図示されるように、各光パルスの時間間隔は２００ｐｓ（繰り返し周波数５ＧＨｚ）である。なお、同図において、点線で表された光パルスはマッハツェンダー型光変調器１４１により間引かれた（遮断された）光パルスを示す。

このように、図７の例では、光パルスを間引くことによって光パルスの繰り返し周波数を２分の１に変換することができる。
また、同様に、変調信号ＳＩＧ２として変調信号ＳＩＧ１を例えば４分周したものや８分周したものを用いれば、光パルスの繰り返し周波数をそれぞれ４分の１、８分の１に変換することができる。

したがって、変調信号ＳＩＧ２の周波数（変調信号ＳＩＧ１の周波数の整数分の１）を適宜選択することで、光強度変調器１４０から出力される光パルスの繰り返し周波数を様々に変更することが可能である。

このようにして光強度変調器１４０から出力された光パルスは、光パルス圧縮器１５０へ入力されてパルス圧縮される。これにより、光パルスのパルス幅をさらに０．２ｐｓ程度まで細くすることができ、所謂フェムト秒パルスを生成することが可能となる。

上述したとおり、本パルス光源１０は、光強度変調器１４０において変調信号ＳＩＧ２に応じて光パルスを間引くことで、光パルスの繰り返し周波数を変化させることが可能である。また、信号発生器１６０が発生する変調信号ＳＩＧ１の変調周波数ｆ_ｍを掃引することによっても、光パルスの繰り返し周波数を変化させることが可能である。この両者を組み合わせることで、非常に広い周波数範囲にわたって任意に光パルスの繰り返し周波数を変化させることが可能となる。ここで、マッハツェンダー型光変調器１２１，１４１はＬＮ変調器として構成されているので、数ＭＨｚ〜数十ＧＨｚ（例えば１０ＭＨｚ前後〜４０ＧＨｚ前後）の広帯域にわたって本パルス光源１０は動作可能である。そのため、測定周期が広帯域で可変なテラヘルツ波測定装置を実現することができる。

以上のように、本実施形態のテラヘルツ波測定装置１によれば、光パルスの繰り返し周波数を掃引することによって、テラヘルツ波の時間波形を測定することが可能である。したがって、従来のようにミラーを機械的に移動させる可動部分が不要であり、パルス光源も１つで済むため、構成が簡易である。また、光パルスを発生させるパルス光源１０はＬＮ変調器により連続光を変調する構成であるので、本実施形態のテラヘルツ波測定装置１は広帯域で使用することができる。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

例えば、パルス光源１０からの光パルスを光スイッチで分周して複数に分離し、分離した光パルスからそれぞれテラヘルツ波を発生させ、発生させた複数のテラヘルツ波をそれぞれ試料Ｓの複数箇所に照射することにより、試料Ｓの面内（凹凸を有する面を含む）の分光計測を行うこともできる。例えば、パルス光源１０で繰り返し周波数１０ＧＨｚの光パルスを作り、これを１×８光スイッチで繰り返し周波数１．２５ＧＨｚの８個の光パルスに分離すれば、試料Ｓについて面内の８点の分光計測が可能である。これにより、試料Ｓの広い測定面の測定を短時間で行うことができる。

図８に、パルス光源１０からの光パルスを２分周する場合のテラヘルツ波測定装置２の構成を示す。パルス光源１０からの光パルスは光スイッチＳＷで分周され光ファイバｆ１と光ファイバｆ２に分岐される。光ファイバｆ１から出射された光パルスはレンズＬ５によりコリメート（平行光）された後にハーフミラーＭ１に入射される。ハーフミラーＭ１より後段の構成は図１と同じである。一方、光ファイバｆ２から出射された光パルスはレンズＬ５ａによりコリメートされた後にハーフミラーＭ１ａに入射される。ハーフミラーＭ１ａより後段の構成（ミラーＭ４ａのみ示し、他は不図示）は図１と同じである。ハーフミラーＭ１を通る光学系とハーフミラーＭ１ａを通る光学系は、図８の紙面に垂直な方向にそれぞれ構成するようにしてもよい。このようにして得られた複数のテラヘルツ波を試料Ｓの面内（凹凸を有する面を含む）の異なる位置に照射することで、試料Ｓの広い測定面の測定を短時間で行うことができる。

なお、光スイッチは、図８のようにパルス光源１０と別にパルス光源１０の後段に設けた構成ではなく、パルス光源１０に組み込んだ構成としてもよいし、得られる光パルスの繰り返し周波数は制限されるが光強度変調器１４０を上記の光スイッチとして用いる構成としてもよい。

また、図９のテラヘルツ波測定装置３のように、テラヘルツ波をレンズＬ６，Ｌ７で集光し、その焦点位置を試料Ｓ内で移動することにより、試料Ｓの３次元的な分光計測もできる。
また、光スイッチＳＷを用いた図８の光学系により得られる複数のテラヘルツ波を、それぞれ図９のようなレンズ（Ｌ６，Ｌ７）で集光し、その焦点位置を試料Ｓ内で移動することにより、試料Ｓの３次元的な分光計測もできる。

また、図１では遅延光学系Ｍ２，Ｍ３をテラヘルツ波発生アンテナ３０側の光路（レンズＬ１の前段）に配置したが、テラヘルツ波検出アンテナ４０側の光路（レンズＬ２の前段）に配置した構成としてもよい。また、遅延光学系の光路長は固定としたが、可変であってもよい。さらに、遅延光学系を光ファイバで構成してもよい。

１，２，３…テラヘルツ波測定装置１０…パルス光源３０…テラヘルツ波発生アンテナ４０…テラヘルツ波検出アンテナ６０…ＤＣ電源８０…増幅器９０…電流計Ｍ１，Ｍ１ａ…ハーフミラーＭ２，Ｍ３…遅延光学系（ミラー）Ｍ４，Ｍ４ａ，Ｍ５，Ｍ６…ミラーＬ１〜Ｌ４，Ｌ５，Ｌ５ａ，Ｌ６，Ｌ７…レンズＳ…試料ＴＷ…テラヘルツ波１１０…光源１２０…光周波数コム発生器１３０…分散補償器１４０…光強度変調器１５０…光パルス圧縮器１６０…信号発生器

Claims

光パルスを発生するパルス光源と、
前記光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生する第１の光伝導アンテナと、
前記光パルスおよび前記第１の光伝導アンテナにより発生し計測対象の試料を透過したテラヘルツ波が照射され、前記テラヘルツ波に基づく電流を発生する第２の光伝導アンテナと、を備え、
前記パルス光源から出力されて前記第１の光伝導アンテナに照射される光パルスが伝搬する光路と前記第１の光伝導アンテナから放射され前記第２の光伝導アンテナへ入射するテラヘルツ波が伝搬する経路とを合わせた第１の光路長と、前記パルス光源から出力されて前記第２の光伝導アンテナに照射される光パルスが伝搬する光路による第２の光路長とが差を有するように設定され、
前記パルス光源は、
入力光を第１の変調信号で変調して光パルスを発生させる第１のＬＮ変調器と、
前記光パルスのチャープを補償する分散補償器と、
前記光パルスを、前記第１の変調信号と同期し前記光パルスのうち特定の一部の光パルスのみが出力されるように設定された信号パターンを有する第２の変調信号で変調することにより、前記特定の一部の光パルスを出力する第２のＬＮ変調器と、
を備え、前記第１の変調信号の周波数を掃引することにより、繰り返し周波数が掃引された前記光パルスを発生する
ことを特徴とするテラヘルツ波測定装置。
前記第１の光路長と前記第２の光路長が差を有するように光路長を調整する遅延光学系を備えることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波測定装置。
前記パルス光源からの光パルスを分周して複数に分離する光スイッチを備え、前記分離した光パルスによって発生させた複数の前記テラヘルツ波を前記試料の複数箇所に照射することにより、前記試料の複数箇所の分光計測を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のテラヘルツ波測定装置。