JP5066159B2 - 電磁波発生装置及び電磁波発生方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波発生装置及び電磁波発生方法に関する。

テラヘルツ波は、周波数が１ＴＨｚ前後の電磁波であり、分光・検査システムなどへの応用の拡大が期待されている周波数領域である。一般的には、テラヘルツ波は、周波数０．１ＴＨｚ以上１０ＴＨｚ以下の電磁波と規定される。このテラヘルツ波は、デバイスから直接発生させたり、周波数を測定したりするのが困難な周波数領域であることも特徴である。すなわち、テラヘルツ波よりも低周波の領域の電磁波については、ガン・ダイオードによる電磁波発生やＲＦスペクトラムアナライザによる周波数測定が可能であり、また、高周波の領域（赤外線など）では、ＬＤ（レーザダイオード）による電磁波発生や光スペクトラムアナライザ／波長計による周波数測定が可能であるが、この中間に位置するテラヘルツ波については、直接の発生および測定手段が存在しない。

このため、テラヘルツ波の発生波は、２つの光のビートをフォトミキサ（フォトダイオードの別称）に入力した際に差周波として得ることが一般的であり、また、その際発生するテラヘルツ波の周波数は、上記の２つの光の周波数を個別に測定し、その差として決定する方法が一般的である。

図４は、典型的なテラヘルツ波信号発生装置の構成例を示す図である。ここでは、発振波長（周波数）の異なる２台の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）３１、３２からの出力を合分波器３３によって合波して得られる光ビート信号をフォトミキサ３４で光電変換することにより、テラヘルツ波信号を得ている。本構成においては、片方のＤＦＢ−ＬＤの温度を変え、発振周波数をシフトさせることにより、光ビートの周波数、ひいてはフォトミキサ３４から発せられるテラヘルツ波の周波数（２つの光の差周波）を調整することが可能である。その際、それぞれの光の周波数測定は、合分波器３３のもう一方の出力端に接続された光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）３５にて行うことが可能であるので、それらの差周波であるテラヘルツ波の周波数も導出が可能である。なお、フォトミキサ３４からは導波管や同軸ケーブルなどを介しアンテナを経てテラヘルツ波が出力される場合と、フォトミキサの素子から直接テラヘルツ波が出力される場合が想定される。導波管、同軸ケーブル、アンテナを図中に記載しないが、導波管・同軸ケーブル・アンテナの有する場合、及び、有さない場合の双方が想定される。

図５は、非特許文献１に記載の、周波数可変テラヘルツ波信号発生装置と典型的なテラヘルツ帯分光器の一体構成の例を示す図である。ここでは、発振波長の異なる２台の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）４１、４２からの出力を合波して得られる光ビート信号をフォトミキサ（エミッタ（emitter）４３）で光電変換することにより、テラヘルツ波信号を得ている。この図では、発生したテラヘルツ波は被測定試料を通過後、検出器（detector）４４により検知され、ロックインアップ（ＬＩＡ）によって増幅される。本システムにおいては、片方のＤＦＢ−ＬＤの温度を変え、光の発振周波数をシフトさせることにより、光ビートの周波数、またはすなわちフォトミキサから発せられるテラヘルツ波の周波数（２つの光の差周波）を調整することが可能である。その際、このテラヘルツ波光の周波数の調整には、通常、光スペクトラムアナライザが使われる。

R. Wilk, F. Breitfeld, M. Mikulics, and M. Koch, "Continuous wave THz spectrometer based on two LT-GaAs antennas without interdigitated electrodes," IRMMW 2007, pp. 993-994, 2007.

しかしながら、従来技術によるテラヘルツ波信号発生装置システムにおいては、発生するテラヘルツ波の周波数精度が低いという問題がある。これは光スペクトラムアナライザの周波数精度上の限界に起因するものである。一般に、光スペクトラムルアナライザの周波数分解能は、１０ＧＨｚ程度までである。従って、発生するテラヘルツ波の周波数精度も１０ＧＨｚ程度である。このため、従来技術によれば、これ以上の周波数精度で周波数を制御したテラヘルツ波を発生させることは不可能であった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電磁波を発生させ且つ電磁波の周波数の精度を向上させる技術を提供することにある。

上記の課題を解決するために、第１の本発明に係る電磁波発生装置は、第１、第２の波長可変光源と、前記第１の波長可変光源の出力の周波数よりも低く且つ前記第２の波長可変光源の出力の周波数よりも高い周波数を有する光を出力する波長固定光源と、前記波長固定光源の出力を分波する分波器と、前記第１の波長可変光源の出力と前記分波器の出力とを合波する第１の合波器と、前記第１の合波器の出力を光電変換する第１の光電変換器と、前記第２の波長可変光源の出力と前記分波器の出力とを合波する第２の合波器と、前記第２の合波器の出力を光電変換する第２の光電変換器と、前記第１の光電変換器の出力である目的のテラヘルツ波の周波数として予め設定された周波数と前記第２の光電変換器の出力の周波数との和が前記第１、第２の波長可変光源に設定される周波数の差に一致するように前記第１の波長可変光源に周波数を設定する周波数設定手段とを備え、前記周波数設定手段は、前記テラヘルツ波の周波数を含む目的の周波数範囲よりも低い周波数範囲を測定可能な周波数測定器と、前記周波数測定器に入力される前記第２の光電変換器の出力の周波数が当該低い周波数範囲に属するように前記第２の波長可変光源に周波数を設定する周波数設定回路とを備えることを特徴とする

第２の本発明に係る電磁波発生方法は、第１の波長可変光源の出力の周波数よりも低く且つ第２の波長可変光源の出力の周波数よりも高い周波数を有する光を出力する波長固定光源の出力を分波する分波工程と、前記第１の波長可変光源の出力と前記分波工程の出力とを合波する第１の合波工程と、 前記第１の合波工程の出力を光電変換する第１の光電変換工程と、前記第２の波長可変光源の出力と前記分波工程の出力とを合波する第２の合波工程と、前記第２の合波工程の出力を光電変換する第２の光電変換工程と、前記第１の光電変換工程の出力である目的のテラヘルツ波の周波数として予め設定された周波数と前記第２の光電変換工程の出力の周波数との和が前記第１、第２の波長可変光源に設定される周波数の差に一致するように前記第１の波長可変光源に周波数を設定する周波数設定工程とを備え、前記周波数設定工程において、前記テラヘルツ波の周波数を含む目的の周波数範囲よりも低い周波数範囲を測定可能な周波数測定器に入力される前記第２の光電変換器の出力の周波数が当該低い周波数範囲に属するように前記第２の波長可変光源に周波数を設定することを特徴とする。

本発明に係る電磁波発生装置及び電磁波発生方法によれば、第２の光電変換器／第２の光電変換工程の出力の周波数は、目的の電磁波の周波数よりも低くなり、目的の電磁波の周波数を測定するときよりも高い精度で測定でき、かつ、測定された周波数は目的の電磁波の周波数の外的要因による変化を反映する。よって、予め設定された周波数と第２の光電変換器／工程の出力の周波数との和が第１、第２の波長可変光源に設定される周波数の差に一致するように第１の波長可変光源に周波数を設定することで、その変化を是正でき、その結果、目的の電磁波の周波数の精度を向上させることができる。

本実施の形態に係る電磁波発生装置の構成例を示す図である。 本実施の形態に係る電磁波発生装置に使用される波長可変光源の構成例を示す図である。 比較例の電磁波発生装置の構成例を示す図である。 従来のテラヘルツ波信号発生装置の構成例を示す図である。 従来の周波数可変テラヘルツ波信号発生装置とテラヘルツ帯分光器の一体構成の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る電磁波発生装置の構成例を示す図である。

電磁波発生装置は、テラヘルツ波を発生させるものであり、波長可変光源１１、１２と、波長固定光源１３と、波長固定光源１３の出力Ｌ３を分波する分波器１４と、波長可変光源１１の出力であるレーザ光Ｌ１と分波器１４の出力であるレーザ光Ｌ３とを合波する合波器１５と、合波器１５の出力であるレーザ光を光電変換する光電変換器（フォトミキサ）１６と、波長可変光源１２の出力であるレーザ光Ｌ２と分波器１４の出力であるレーザ光Ｌ３とを合波する合波器１７と、合波器１７の出力であるレーザ光を光電変換し目的の電磁波＊０を出力する光電変換器（フォトミキサ）１８と、光電変換器１８の出力である電磁波の周波数ｆPM_ES4を測定する周波数測定器１９と、波長可変光源１１、１２にそれぞれ周波数ｆTLS1_w-meter、ｆTLS2_w-meterを設定する周波数設定回路１１０とを備える。

周波数設定回路１１０には、電磁波＊０の周波数ｆTHzの目標値として予め周波数ｆTHz_setが設定される。周波数ｆTHz_setは、テラヘルツ波の周波数範囲に含まれる。

また、周波数設定回路１１０には、波長固定光源１３の出力の周波数に等しい周波数ｆfixが設定される。周波数設定回路１１０は、周波数ｆTLS2_w-meterを一定とするようになっている。また、周波数設定回路１１０は、周波数ｆTHz_setと周波数ｆPM_ES4との和が周波数ｆTLS1_w-meter、ｆTLS2_w-meterの差に一致するように、周波数ｆTLS1_w-meterを設定するようになっている。

周波数測定器１９は、テラヘルツ波の周波数範囲より低い周波数範囲に含まれる周波数の測定が可能となっている。周波数測定器１９は、例えば、ＲＦ（Radio Frequency）帯の周波数測定が可能ないわゆるＲＦスペクトラムアナライザである。

図２は、波長可変光源１１、１２として使用される波長可変光源の構成例を示す図である。

波長可変光源は、レーザ光を出力する波長可変レーザ２１と、レーザ光を分波する分波器２２と、レーザ光の波長を測定する波長計２３と、測定された波長が周波数ｆTLS1_w-meterや周波数ｆTLS2_w-meterの逆数に一致するように波長可変レーザ２１を制御する制御器２４とを備える。

（本実施の形態に係る電磁波発生装置の動作）
図１において、周波数設定回路１１０は、波長可変光源１１に周波数ｆTLS1_w-meterを設定する。このとき、周波数設定回路１１０は、ｆTLS1_w-meter＞ｆfixとし、その差がテラヘルツ波の周波数範囲に含まれるようにする。

周波数設定回路１１０は、波長可変光源１２に一定の周波数ｆTLS2_w-meterを設定する。このとき、周波数設定回路１１０は、ｆfix＞ｆTLS2_w-meterとする。

波長可変光源１１は、周波数ｆTLS1_w-meterに等しい周波数ｆTLS1を有するレーザ光Ｌ１を出力し、波長可変光源１２は、周波数ｆTLS2_w-meterに等しい周波数ｆTLS2を有するレーザ光Ｌ２を出力する。波長固定光源１３は、周波数ｆfixを有するレーザ光Ｌ３を出力する。

図２においては、波長可変レーザ２１が、周波数ｆTLS1_w-meterや周波数ｆTLS2_w-meterに等しい周波数ｆTLS1や周波数ｆTLS1を有するレーザ光を出力し、分波器２２がレーザ光を分波する。また、波長計２３がレーザ光の波長を測定する。

図１に戻り、分波器１４は、レーザ光Ｌ３を２つに分波する。

合波器１５は、レーザ光Ｌ１と分波後の一方のレーザ光Ｌ３とを合波する。合波器１５の出力の周波数は周波数ｆTLS1と周波数ｆfixの差に等しくなる。光電変換器１６は、合波器１５の出力を光電変換する。この光電変換により得られる電磁波＊０の周波数ｆTHzも周波数ｆTLS1と周波数ｆfixの差に等しくなる。つまり、電磁波＊０はテラヘルツ波であり、その周波数ｆTHzはテラヘルツ波の周波数範囲に含まれる。

なお、本実施の形態では、光電変換器１６から、図示しない導波管や同軸ケーブルなどを介しアンテナを経てテラヘルツ波が出力される場合と、光電変換器１６から、直接テラヘルツ波が出力される場合とがある。

合波器１７は、レーザ光Ｌ２と分波後の他方のレーザ光Ｌ３とを合波する。合波器１７の出力の周波数は周波数ｆTLS2と周波数ｆfixの差に等しくなる。光電変換器１８は、合波器１７の出力を光電変換する。この光電変換により得られる電磁波の周波数ｆPM_ES4も周波数ｆTLS2と周波数ｆfixの差に等しくなる。周波数ｆPM_ES4は上記のテラヘルツ波の周波数範囲より低い周波数範囲（例えば、ＲＦ帯）に含まれる。

周波数測定器１９は、光電変換器１８の出力の周波数ｆPM_ES4を測定する。

周波数設定回路１１０は、予め設定された周波数ｆTHz_setと当該周波数ｆPM_ES4との和が周波数ｆTLS1_w-meter、ｆTLS2_w-meterの差に一致するように周波数ｆTLS1_w-meterを設定する。

図２においては、制御器２４が、波長計２３により測定された波長が周波数ｆTLS1_w-meterや周波数ｆTLS2_w-meterの逆数に一致するように波長可変レーザ２１を制御する。

ここで、波長可変光源１１内の波長計２３及び波長制御系により生じる周波数誤差をΔｆTLS1_w-meterとすると、次の式（１）が成立する。

ｆTLS1＝ｆTLS1_w-meter＋ΔｆTLS1_w-meter （１）
前述のようにｆTLS1_w-meter＞ｆfixとし、その差がテラヘルツ波の周波数範囲に含まれるようにしたので、周波数ｆTLS1_w-meterはテラヘルツ波の周波数範囲より低くはならない。一方、周波数誤差ΔｆTLS1_w-meterは、１００ＭＨｚ程度である。よって、誤差は無視でき、次の式（２）が成立する。

ｆTLS1≒ｆTLS1_w-meter （２）
また、波長可変光源１２内の波長計２３及び波長制御系により生じる周波数誤差をΔｆTLS2_w-meterとすると、次の式（３）が成立する。

ｆTLS2＝ｆTLS2_w-meter＋ΔｆTLS2_w-meter （３）
周波数ｆTLS2_w-meterは、例えばギガヘルツ波の周波数範囲に含まれる。一方、周波数誤差ΔｆTLS2_w-meterは、１００ＭＨｚ程度である。よって、誤差は無視でき、次の式（４）が成立する。

ｆTLS2≒ｆTLS2_w-meter （４）
また、前述のように、周波数ｆTHzは、周波数ｆTLS1と周波数ｆfixの差に等しいので、次の式（５）が成立する。

ｆTHz＝ｆTLS1−ｆfix≒ｆTLS1_w-meter−ｆfix （５）
また、前述のように、周波数ｆPM_ES4は、周波数ｆTLS2と周波数ｆfixの差に等しいので、次の式（６）が成立する。

ｆPM_ES4＝ｆfix−ｆTLS2≒ｆfix−fTLS2_w-meter （６）
ここで、式（５）、（６）から、次の式（７）が成立する。

ｆTHz＋ｆPM_ES4＝（ｆTLS1_w-meter−ｆfix）＋（ｆfix−fTLS2_w-meter）
＝ｆTLS1_w-meter−fTLS2_w-meter （７）
よって、前述のように、周波数ｆTHz_setと周波数ｆPM_ES4との和が周波数ｆTLS1_w-meter、ｆTLS2_w-meterの差に一致するようにすれば、つまり、次の式（８）を成立させれば、
ｆTHz_set＋ｆPM_ES4＝ｆTLS1_w-meter−fTLS2_w-meter （８）
式（７）と式（８）により、次の式（９）が成立する。

ｆTHz＝ｆTHz_set （９）
つまり、周波数ｆTHzを周波数ｆTHz_setに等しくさせることができるのである。

また、周波数ｆPM_ES4は、テラヘルツ波の周波数範囲より低い周波数範囲に含まれるようにしているので、例えば、周波数ｆPM_ES4がＲＦ帯に含まれるようにすれば、周波数ｆTHzの精度は、周波数測定器１９の測定精度に依存し、例えば、図２の波長計２３の精度と同じ１００ＭＨｚ程度まで向上させることができる。

また、本実施の形態では、周波数ｆTLS2_w-meterを一定としつつ、周波数ｆTHz_setを時間的に変化（掃引）させることで、周波数ｆTHzも同様に変化し、しかも、周波数ｆTHz_setに等しく、精度も高い。

ところで、周波数ｆTLS1、ｆTLS2、ｆfixは、温度、電場、磁場などの外的要因により変動しうる。同様に、波長可変光源１１、１２に内蔵される波長計２３及び波長制御系も温度、電場、磁場などの外的要因により誤動作する可能性がある。

ここで、図３に示すような電磁波発生装置を考える。図１に示す要素と同様のものには同一符号を付与し、重複説明を省略する。

図３の電磁波発生装置は、波長可変光源１１、１２と、波長可変光源１１、１２の出力であるレーザ光Ｌ１、Ｌ２を合波する合波器１５と、合波器１５の出力であるレーザ光を光電変換し目的の電磁波＊０を出力する光電変換器１６と、波長可変光源１１、１２にそれぞれ周波数ｆTLS1_w-meter、ｆTLS2_w-meterを設定する周波数設定回路１１０とを備える。

電磁波＊０の周波数ｆTHzは、周波数ｆTLS1_w-meter、ｆTLS2_w-meterの差に一致する。ここで、温度、電場、磁場などの外的擾乱があった場合、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の周波数の真値ｆTLS1、ｆTLS2は、設定された周波数ｆTLS1_w-meter、ｆTLS2_w-meterと乖離する。しかし、図３の電磁波発生装置では、そのような乖離を検知する参照信号がなく、乖離を正せない。

これに対し、図１の電磁波処理装置では、光電変換器１８の出力の周波数ｆPM_ES4を参照信号として用いることで、周波数ｆTLS1、ｆTLS2、ｆfixの異常を検知できる。

例えば、周波数ｆTLS1の異常によって電磁波＊０の周波数ｆTHzが周波数ｆTHz_setに対して乖離するのを、周波数設定回路１１０の働きにより防止することができる。

また、周波数ｆTLS2、ｆfixの異常については、一定であるはずの周波数ｆPM_ES4が変化することで、その異常を検知できる。この場合は、電磁波＊０にも異常が及び、その周波数ｆTHzが周波数ｆTHz_setに対して乖離している可能性があると判断でき、対策を講じることができる。

以上のように、光電変換器１８の出力の周波数ｆPM_ES4は、電磁波＊０の周波数ｆTHzよりも低くなり、電磁波＊０の周波数ｆTHzを測定するときよりも高い精度で測定でき、かつ、測定された周波数は電磁波＊０の周波数の外的要因による変化（周波数ｆTHz_setと乖離）を反映する。よって、周波数ｆTHz_setと周波数ｆPM_ES4との和が周波数ｆTLS1_w-meter、ｆTLS2_w-meterの差に一致するように周波数ｆTLS1_w-meterを設定することで、その変化を是正でき、その結果、周波数ｆTHzの精度を向上させることができる。

１１、１２…波長可変光源
１３…波長固定光源
１４…分波器
１５、１７…合波器
１６、１８…光電変換器
１９…周波数測定器
１１０…周波数設定回路

Claims (2)

1. 第１、第２の波長可変光源と、
   前記第１の波長可変光源の出力の周波数よりも低く且つ前記第２の波長可変光源の出力の周波数よりも高い周波数を有する光を出力する波長固定光源と、
   前記波長固定光源の出力を分波する分波器と、
   前記第１の波長可変光源の出力と前記分波器の出力とを合波する第１の合波器と、
   前記第１の合波器の出力を光電変換する第１の光電変換器と、
   前記第２の波長可変光源の出力と前記分波器の出力とを合波する第２の合波器と、
   前記第２の合波器の出力を光電変換する第２の光電変換器と、
   前記第１の光電変換器の出力である目的のテラヘルツ波の周波数として予め設定された周波数と前記第２の光電変換器の出力の周波数との和が前記第１、第２の波長可変光源に設定される周波数の差に一致するように前記第１の波長可変光源に周波数を設定する周波数設定手段と
   を備え、
   前記周波数設定手段は、
   前記テラヘルツ波の周波数を含む目的の周波数範囲よりも低い周波数範囲を測定可能な周波数測定器と、
   前記周波数測定器に入力される前記第２の光電変換器の出力の周波数が当該低い周波数範囲に属するように前記第２の波長可変光源に周波数を設定する周波数設定回路と
   を備えることを特徴とする電磁波発生装置。
2. 第１の波長可変光源の出力の周波数よりも低く且つ第２の波長可変光源の出力の周波数よりも高い周波数を有する光を出力する波長固定光源の出力を分波する分波工程と、
   前記第１の波長可変光源の出力と前記分波工程の出力とを合波する第１の合波工程と、 前記第１の合波工程の出力を光電変換する第１の光電変換工程と、
   前記第２の波長可変光源の出力と前記分波工程の出力とを合波する第２の合波工程と、 前記第２の合波工程の出力を光電変換する第２の光電変換工程と、
   前記第１の光電変換工程の出力である目的のテラヘルツ波の周波数として予め設定された周波数と前記第２の光電変換工程の出力の周波数との和が前記第１、第２の波長可変光源に設定される周波数の差に一致するように前記第１の波長可変光源に周波数を設定する周波数設定工程と
   を備え、
   前記周波数設定工程において、
   前記テラヘルツ波の周波数を含む目的の周波数範囲よりも低い周波数範囲を測定可能な周波数測定器に入力される前記第２の光電変換器の出力の周波数が当該低い周波数範囲に属するように前記第２の波長可変光源に周波数を設定する
   ことを特徴とする電磁波発生方法。

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