超伝導技術によるテラヘルツ波スペクトルアナライザの実現

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04132
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 成瀬 雅人 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (10638175)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: テラヘルツ波 / 機械学習 / スペクトルアナライザー

Outline of Annual Research Achievements

テラヘルツ波帯には様々な物質に固有の輝線・吸収線が集まっているだけでなく、ある程度の透過性も有するため非破壊による薬物検査や、星間物質観測など幅広い分野で利用されている。テラヘルツ波分光を高い周波数分解能で行うために、中間周波数に一度変換するヘテロダイン方式が主であるが、一度により広い帯域のスペクトルを得るために、超伝導伝送線路への電流印可によって、線路内を伝搬する電磁波の位相速度を制御し干渉を起こすことで、オンチップでのテラヘルツ波分光計を提案している。
本年度もテラヘルツ波帯での回路製作技術確立の遅れから、マイクロ波帯において実験を行った。特にデータ処理プログラムの開発によって、周波数分解能を高める方法を模索した。実験には膜厚は50 nmの窒化チタン膜を利用してマイクロ波伝送線路を作製し、0.5 K程度に冷却した。マイクロ波で干渉信号を得るために、まずマイクロ波を室温回路で２つに分波し、片方の信号を超伝導デバイスへ、もう一方を室温ケーブルに通した。超伝導デバイスに1-100 Hzの電流を印加することで、マイクロ波の位相変調を起こした。最後に超伝導デバイスを通った信号と室温ケーブルを通った信号をIQミキサによって合成し、デジタイザで信号を取得した。
マイクロ波の信号を4999、 5000、 5001MHzに変えて実験し、それらのデータを機械学習させて周波数カタログを作成した。このカタログと未知の周波数信号を比較することで、目標の周波数分解能である10000を超える性能を得られることが示唆された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

テラヘルツ波帯回路はマイクロメートル程度の微細加工が必要となり、作製技術の開発が遅れている。
一方で、マイクロ波帯では狭帯域ではあるが周波数分解能の目標である10000を超える性能が得られている。

Strategy for Future Research Activity

本年度はマイクロ波帯で、周波数分解能の目標を達成できる見込みがたったため、本技術の特徴の一つである広帯域化を実証をするためオクターブ帯域での周波数分解能の性能評価を行う。
また、素子の加工精度の条件を緩和できるようなテラヘルツ波帯でのカプラーやアイソレータの設計を含め、テラヘルツ波帯での回路作製技術の開発を進める。

Causes of Carryover

初の計画と異なりテラヘルツ波帯デバイスの作製技術開発が遅れているおり、テラヘルツ波帯の回路部品や冷凍機内部へテラヘルツ波を導入する光学窓やバンドパスフィルタなどを購入していないため．2023年度にこれらの物品を購入する予定．