JP5713501B2 - ホモダイン検波方式電磁波分光測定システム - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

「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 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 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.395-399

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）。

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。

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。

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。

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。

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、出力波形の１周期以上の時間間隔で比例する鋸歯波状に設定された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、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と、を有することを特徴とする。

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。

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。

請求項２に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３に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。

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。

請求項４に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。

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。

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。

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。 ある制御信号に対する出力信号例を示す図である。 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。 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。 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。 第３フォトミキサの断面を示す図である。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

第１連続波光源１ａは、周波数ω_１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_１とは異なる周波数ω_２の連続光波（以下、第２ＣＷ光波）を出力する機能を有する。

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。

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。

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。

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_１−ω_２｜）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。

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。

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。

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。

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。

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_１の第１ＣＷ光波と周波数ω_２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。

まず、信号発生器１０から出力されたＴＨｚ光信号ｓ_ｅ（ｔ）と、第１フォトミキサ５ａから発生したＴＨｚビームｓ_ＴＨｚ（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。

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_１とφ_２は、それぞれ、周波数ω_１の第１ＣＷ光波と周波数ω_２の第２ＣＷ光波との各位相である。

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ｓ_ＴＨｚ（ｔ）は次式となる。

なお、ω_ＴＨは、ＴＨｚビームの周波数であり、｜ω_１−ω_２｜に等しい。Ａ_ｓ（ω_ＴＨ）とφ_ｓ（ω_ＴＨ）とは、それぞれ、周波数ω_ＴＨ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。

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_１及び周波数ω_２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。

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。

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。

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

なお、φ_ｍ（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。

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。

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。

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

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_０、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。

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ｓ_ｏｕｔ（ｔ）は以下のように表すことができる。

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_Ｃ／ｔ_Ｃ）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ａ_{ｓｉｇｎａｌ}や位相φ_{ｓｉｇｎａｌ}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^２は強度Ａ_{ｓｉｇｎａｌ}であり、同式のφ１−φ２は位相φ_{ｓｉｇｎａｌ}である。

また、周波数ω_１及び周波数ω_２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ω_ＴＨ（＝｜ω_１−ω_２｜）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。

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

Claims (4)

1. 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、
   出力波形に含まれる正弦波の１周期以上の時間間隔で比例する鋸歯波状に設定された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、
   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。
2. 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に記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システム。
3. 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又は２に記載のホモダイン検波方式電磁波分光測定システム。
4. 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。
   

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