2015 Fiscal Year Annual Research Report
光励起半導体表面プラズマ移動境界における電磁波散乱による周波数変換法の研究
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26286060
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
ベイ ジョンソク 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20165525)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
莅戸 立夫 富山大学, その他の研究科, 准教授 (00261149)
有吉 誠一郎 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20391849)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 光エレクトロニクス / テラヘルツ波発生 / ドップラー効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
先ず、周波数変換回路として半絶縁性GaAs基板にかえて、時間応答特性が優れている低温成長GaAs基板を用いたスロットおよびコプレーナ・ストリップ線路の製作を完了した。
次に、透過型導波管回路を用いたミリ波－テラヘルツ(THz)波変換実験を実施した。しかし、有用なTHz波出力信号を観測出来なかった。その原因は、出力THz波の観測で用いた光伝導アンテナによる時間領域分光法式にあった。この検出方式では、入力ミリ波位相と精密に同期したフェムト秒レーザー励起を必要とするが、現有のレーザー装置性能ではその要求を十分に満足できないためである。この問題を回避するため、検出系に精密な時間同期を必要としない高感度ショットキ・バリア・ダイオード（SBD）検出器を用いる方式に変更し、最初の出力周波数に設定した0.3THz帯で動作するInP－SBDとスロットアンテナを用いた検出器の開発を実施した。その結果、4000V/Wという高い感度を持つ検出器開発に成功した。但し、ミリ波－テラヘルツ波変換の実験は、次年度課題として残された。
最後に、上記入力ミリ波位相とレーザー光との同期問題を解決し、高出力THz波出力を得る新たな方法として、入力波としてミリ波の替わりに空間的に周期的に配置された静電場をテラヘルツ波と変換する新たなドップラー効果型テラヘルツ波発生法を提案し、その動作を実験的に検証した。この方式では、従来損失となるGaAs回路からの大きな放射波そのものを、金属導波管を通して出力として取り出すことにより、THz波伝搬損失問題も合わせて解決する。この実験結果より、0.3THz帯でのTHz発生に成功すると共に、伝搬損失4dB/mm以下の良好な特性を得、周期的静電場－THz波変換方式の有効性を実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前年度計画では、①GaAs周波数変換回路および導波管回路の改良、②周波数変換実験の実施、③周波数変換理論の立証とその精密化、をそれぞれ実施するとした。
①は、GaAs回路の製作は終了した。導波管回路に関しては、昨年度理論的に考案したGaAs回路からの主な損失要因である放射波そのものを金属導波管を通して取り出す方式について検討を進め、その過程で、周期的な静電場をTHz波へと変換する新たなドップラー効果型THz波発生方式の着想を得、その回路設計、製作、そして実験的な評価を行い、0.3THz帯でのTHz波発生に成功して。
②及び③に関しては、実験を実施した結果、当初研究計画では予想していなかった時間領域分光方式によるTHz波検出系の問題が明らかとなり、THz波出力信号の観測が出来なかった。その解決策として、時間領域分光法は用いず、高感度ショットキ・バリア・ダイオードを用いることとし、0.3THz帯での検出器開発を実施し、その製作を完了した。但し、変換実験自体は次年度に持ち越された。
以上の通り、当初の計画にはなかった問題は発生したが、その事から、新たな周期的静電場－テラヘルツ波変換法の考案とTHz波発生成功に繋げることが出来た。そのことを考慮し、目標達成度は65％とする。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究最終年度は、前年度に変更した研究方法に従い、ミリ波－テラヘルツ（THz）波周波数変換および周期的静電場－THz波変換、それぞれの詳細な実験的観測を継続して実施する。その結果に基づき、光励起半導体プラズマを用いたドップラー効果によるTHz波発生理論の基礎を確立すると共に、本方式の有用性を立証する。その方法は、以下の通りである。
(1) 透過型導波管回路を用いたミリ波－THz波変換実験の再実施： 前年度開発した高感度ショットキ・バリア・ダイオード検出器をTHz波出力観測に用い、再度周波数変換実験を実施し、本方式の動作原理を実験的に検証する。
(2) 反射型導波管回路を用いたミリ波－THz波変換実験の実施： 透過型導波管回路での実験結果より得られた知見に基づき、より効率的な周波数変換が可能な反射型導波管回路を製作し、同様の周波数変換実験を実施し、今後の変換器設計のための基礎データとする。
(3) 周期的静電場－THz波変換実験の実施： 励起用レーザーパルスエネルギー、静電場強度、静電場周期、に依存したTHz波出力特性を詳細に測定する。この結果とミリ波－THz波変換実験の結果とを比較することで、サブピコ秒の時間領域における光励起半導体プラズマと電磁場との相互作用の基礎メカニズムを明らかにすると共に、本研究目標の一つとした0.5THz以上でのTHz波発生を実現する。
(4) 研究結果のまとめと報告： 上記の実験結果および理論考察結果をまとめ報告する。
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| Causes of Carryover |
当初の研究計画では予想していなかったTHz出力検出における問題が発生したため、当初製作予定であった反射型周波数変換回路の製作が次年度へと繰り越された。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
反射型周波数変換回路の製作に対し使用する予定である。
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Research Products
(15 results)
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[Journal Article] Relationship between Loaded Quality Factor and Responsivity for NbN-Based MKIDs using Dual-Function Spiral Strip2015
Author(s)
A. Saito, K. Nakajima, K. Hayashi, Y. Ogawa, Y. Okuyama, D. Oda, S. Ariyoshi, H. Yamada, T. Taino, C. Otani, J. Bae, S. Ohshima
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Journal Title
IEEE Transactions on Applied Superconductivity
Volume: 25
Pages: 2401204_1-4
DOI
Peer Reviewed
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