我們通過分析太赫茲波（※1）的產生原理、提高量子級聯激光器（以下簡稱QCL，Quantum Cascade Laser ※2）輸出功率，同時利用濱松自主的光學設計技術，加上高效的外部諧振器（※3），成功開發出了世界上首個可在0.42~2太赫茲（下簡稱THz，T為1萬億）范圍內產生任意頻率THz波的QCL模塊。

本研究成果實現了僅用一個（QCL）模塊通過切換頻率產生窄帶太赫茲波。通過該項應用，可以提高含有可被太赫茲波吸收的藥物成分、食品和半導體材料的質量評估和無損檢測，以及高分子聚合物材料的識別等的準確性。

此外，因為在實現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新型的核心器件應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）發表在Optica Publishing Group出版的“Photonics Research（光子學研究）”電子版上。此研究的一部分受總務省“戰略信息和通信研究與發展促進項目(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：通過在發光層中使用特殊結構，使之與傳統激光器不同，實現在從中紅外到遠紅 外的波長區域輸出高功率的半導體光源。

※3 外部諧振器：在半導體激光器外部設置衍射光柵來構成諧振器。

太赫茲波

研發背景

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量評估、無損分析。此外，由于太赫茲波比高速通信標準“5G”所使用的頻段頻率還要高，因此該產品也有望用于下一代“6G”通信。

濱松公司在2018年通過利用獨有的量子結構設計技術，采用反交叉雙重高能態設計（AnticrossDAUTM），開發了太赫茲非線性QCL。此太赫茲非線性QCL可以根據樣品中所含的成分，改變太赫茲波的頻率并進行照射，再根據吸收率來提高分析精度。然而，目前還沒有一種半導體激光光源可以在一個模塊實現頻率的變化。因此，我們一直在研究和開發可改變頻率的QCL模塊。

研發成果概要

此次研究中，我們分析了QCL中太赫茲波的產生原理，并利用多年來積累的晶體生長技術和半導體工藝技術優化了內部結構。 此外，我們還分析了太赫茲波在QCL內部傳播的原理，發現頂面與高阻硅透鏡的連接可以提高太赫茲波的產生效率，將輸出功率提高到以往的5倍以上。結合濱松公司獨有的光學設計技術，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，使傾斜度發生改變，進而實現世界上首個可在0.42~2THz范圍內產生任意頻率的太赫茲波的QCL模塊。

本次研究結果表明，待測樣品中根據其不同成分，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、食品和半導體材料的質量評估和無損檢測的準確性。此外，它還有望應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，我們也將繼續深入研究QCL的散熱結構，目標實現THz波穩定連續的工作，期待太赫茲波在觀測宇宙空間的射電天文學等領域、數據傳輸速度達到每秒幾百千兆的超高速大容量短距離無線通發展方向上的應用。

今后，我們將利用濱松獨有的微機電系統(MEMS)技術，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，對不同波長的光進行分類的光學元件。

頻率切換原理

從太赫茲非線性QCL發射的中紅外激光束在衍射光柵中進行反射。在這種情況下，通過電控制衍射光柵并改變傾斜度來實現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中太赫茲波在內部傳播的原理，發現其頂面與高電阻硅透鏡的連接可以提高太赫茲波的產生效率。此外，通過利用多年來積累的晶體生長技術和半導體工藝技術優化內部結構，我們將1THz頻段的峰值輸出提高到亞毫瓦水平，是傳統非線性QCL的5倍以上。

2、世界上首個頻率可調范圍為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行了深入研究，同時通過獨有的光學設計技術，在QCL外部設置了匹配的衍射光柵，構成諧振器，再通過電器控制傾斜度，實現了世界上首個室溫操作下，最低頻率低至0.42～2THz范圍內產生任意太赫茲波的QCL模塊。

QCL模塊的外觀

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