我們通過分析太赫茲波（※1）的產(chǎn)生原理、提高量子級聯(lián)激光器（以下簡稱QCL，Quantum Cascade Laser ※2）輸出功率，同時(shí)利用濱松自主的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，加上高效的外部諧振器（※3），成功開發(fā)出了可在0.42~2太赫茲（下簡稱THz，T為1萬億）范圍內(nèi)產(chǎn)生任意頻率THz波的QCL模塊。

本研究成果實(shí)現(xiàn)了僅用一個（QCL）模塊通過切換頻率產(chǎn)生窄帶太赫茲波。通過該項(xiàng)應(yīng)用，可以提高含有可被太赫茲波吸收的藥物成分、食品和半導(dǎo)體材料的質(zhì)量評估和無損檢測，以及高分子聚合物材料的識別等的準(zhǔn)確性。

此外，因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)超高速的無線通信中需要利用太赫茲波的特性，我們也期待此模塊作為創(chuàng)新型的核心器件應(yīng)用在未來超高速無線通信中。 本次研究成果已刊登在2月22日（星期二）發(fā)表在Optica Publishing Group出版的“Photonics Research（光子學(xué)研究）”電子版上。此研究的一部分受總務(wù)省“戰(zhàn)略信息和通信研究與發(fā)展促進(jìn)項(xiàng)目(SCOPE)”委托（受理號JP195006001）。

※1 太赫茲波：頻率約為1THz的電磁波，具有介于無線電波和光之間的特性。

※2 QCL：通過在發(fā)光層中使用特殊結(jié)構(gòu)，使之與傳統(tǒng)激光器不同，實(shí)現(xiàn)在從中紅外到遠(yuǎn)紅 外的波長區(qū)域輸出高功率的半導(dǎo)體光源。

※3 外部諧振器：在半導(dǎo)體激光器外部設(shè)置衍射光柵來構(gòu)成諧振器。

太赫茲波

研發(fā)背景

由于待測樣品中所含成分各異，對于易于吸收的太赫茲波的頻率也會有所不同，利用這一特性，此次研究成果有望用于樣品的質(zhì)量評估、無損分析。此外，由于太赫茲波比高速通信標(biāo)準(zhǔn)“5G”所使用的頻段頻率還要高，因此該產(chǎn)品也有望用于下一代“6G”通信。

濱松公司在2018年通過利用獨(dú)有的量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，采用反交叉雙重高能態(tài)設(shè)計(jì)（AnticrossDAUTM），開發(fā)了太赫茲非線性QCL。此太赫茲非線性QCL可以根據(jù)樣品中所含的成分，改變太赫茲波的頻率并進(jìn)行照射，再根據(jù)吸收率來提高分析精度。然而，目前還沒有一種半導(dǎo)體激光光源可以在一個模塊實(shí)現(xiàn)頻率的變化。因此，我們一直在研究和開發(fā)可改變頻率的QCL模塊。

研發(fā)成果概要

此次研究中，我們分析了QCL中太赫茲波的產(chǎn)生原理，并利用多年來積累的晶體生長技術(shù)和半導(dǎo)體工藝技術(shù)優(yōu)化了內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 此外，我們還分析了太赫茲波在QCL內(nèi)部傳播的原理，發(fā)現(xiàn)頂面與高阻硅透鏡的連接可以提高太赫茲波的產(chǎn)生效率，將輸出功率提高到以往的5倍以上。結(jié)合濱松公司獨(dú)有的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，并給QCL搭配合適的衍射光柵（※4），形成一個高效的外部諧振器，再通過電控制衍射光柵，使傾斜度發(fā)生改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可在0.42~2THz范圍內(nèi)產(chǎn)生任意頻率的太赫茲波的QCL模塊。

本次研究結(jié)果表明，待測樣品中根據(jù)其不同成分，吸收頻率不同的情況下，用一個模塊切換頻率并照射窄帶太赫茲波來檢查每種成分的吸收率，可以提高藥物、食品和半導(dǎo)體材料的質(zhì)量評估和無損檢測的準(zhǔn)確性。此外，它還有望應(yīng)用于之前不易識別的塑料等高分子聚合物材料的識別。接下去，我們也將繼續(xù)深入研究QCL的散熱結(jié)構(gòu)，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)THz波穩(wěn)定連續(xù)的工作，期待太赫茲波在觀測宇宙空間的射電天文學(xué)等領(lǐng)域、數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到每秒幾百千兆的超高速大容量短距離無線通發(fā)展方向上的應(yīng)用。

今后，我們將利用濱松獨(dú)有的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，將QCL模塊縮小到指尖大小。

※4衍射光柵:利用不同波長的光衍射角度，對不同波長的光進(jìn)行分類的光學(xué)元件。

頻率切換原理

從太赫茲非線性QCL發(fā)射的中紅外激光束在衍射光柵中進(jìn)行反射。在這種情況下，通過電控制衍射光柵并改變傾斜度來實(shí)現(xiàn)THz波的頻率的切換。

主要研究成果

1、比以往的太赫茲非線性QCL高出5倍的輸出功率 我們分析了太赫茲非線性QCL中太赫茲波在內(nèi)部傳播的原理，發(fā)現(xiàn)其頂面與高電阻硅透鏡的連接可以提高太赫茲波的產(chǎn)生效率。此外，通過利用多年來積累的晶體生長技術(shù)和半導(dǎo)體工藝技術(shù)優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們將1THz頻段的峰值輸出提高到亞毫瓦水平，是傳統(tǒng)非線性QCL的5倍以上。

2、該頻率可調(diào)范圍為0.42~2 THz的QCL模塊 我們在太赫茲非線性QCL頂面的抗反射膜的材料進(jìn)行了深入研究，同時(shí)通過獨(dú)有的光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，在QCL外部設(shè)置了匹配的衍射光柵，構(gòu)成諧振器，再通過電器控制傾斜度，實(shí)現(xiàn)了室溫操作下，最低頻率低至0.42～2THz范圍內(nèi)產(chǎn)生任意太赫茲波的QCL模塊。

QCL模塊的外觀