| 研究課題/領域番号 |
19K05304
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
宮丸 文章 信州大学, 学術研究院理学系, 教授 (20419005)
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| 研究分担者 |
中西 俊博 京都大学, 工学研究科, 講師 (30362461)
Dani Keshav 沖縄科学技術大学院大学, フェムト秒分光法ユニット, 准教授 (80630946)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | テラヘルツ波 / 周波数変換 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，テラヘルツ波が伝搬している空間の状態を，ピコ秒の時間スケールで変化させることによって，テラヘルツ波の周波数を変換する素子構造を提案するとともに，その実証実験を行うことを目的としています。その具体的な方法として，半導体導波路の素子構造と共振素子構造の2つのタイプを提案し，実際にそれらの素子を作製することによって，テラヘルツ波の周波数変換の実証実験を行うことを目指しています。
本年度では，これら2つのタイプの素子構造において，実際に素子を作製し，テラヘルツ波の周波数が変換可能かどうかを調べました。共振素子タイプにおいては，サファイヤ基板上に成膜した二酸化バナジウムをフォトリソグラフィーとエッチングでパターンを作製し，さらにフォトリソグラフィーとリフトオフの手法で2層目の金属パターンを作製することによって，素子を作製しました。共振素子構造表面に垂直方向にテラヘルツ波を入射し，そのタイミングに合わせて，外部からフェムト秒パルスレーザー光を素子表面に照射することにより，共振構造の共振周波数を変化させ，変化後の共振周波数に対応するテラヘルツ波が検出できるかどうかを調べました。その結果，変化後の共振周波数のテラヘルツ波は検出されませんでしたが，その理由として，変化後の共振モードのQ値が低いためであることが考えられます。一方，半導体導波路タイプにおいて，ヒ化ガリウムを用いて0.1mmの厚みの導波路を作製しました。導波路に入射されたテラヘルツ波が導波路内を伝搬しているときに，外部からフェムト秒パルスレーザー光を導波路表面に照射することにより，導波路内部の電磁波の伝搬モードを変化させました。その結果，入射したテラヘルツ波の周波数に対して，導波路を透過したテラヘルツ波の周波数が高周波数側にシフトすることを確認しました。これはテラヘルツ波の周波数が変換されたことを意味しています。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
テラヘルツ波が伝搬している空間の状態を，ピコ秒の時間スケールで変化させることによってテラヘルツ波の周波数を変換するという目的に対して，本年度では，2つのタイプの素子構造を実際に作製し，それぞれの素子においてテラヘルツ波の周波数が変換できるかどうかを調べました。その結果，半導体導波路タイプにおいて， 入射したテラヘルツ波の周波数に対して，導波路を透過したテラヘルツ波の周波数が高周波数側にシフトしたことを実験的に確認しました。これは，外部からのピコ秒の時間スケールの光励起によって，入射したテラヘルツ波の周波数が変換されたことを意味しています。このことより，本年度は概ね順調に進展しているものと考えています。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後も2つのタイプの素子構造において，テラヘルツ波の周波数変換に関する実証実験を進めていく予定です。
半導体導波路タイプにおいて，入射したテラヘルツ波の強度に対して，周波数が変換されたテラヘルツ波の強度がどれだけ得られるかという変換効率が重要になってきます。今後は，なるべく大きい変換効率が得られるように，半導体導波路の素子の形状やサイズなどを設計していく必要があります。また理論的にどれだけの変換効率が得られるかを見積もるために，現在実験を行っている半導体導波路タイプにおける周波数変換の理論を構築する必要があります。
共振構造タイプでは，今年度の実験において，テラヘルツ波の明確な周波数変換を確認することができませんでしたが，半導体導波路タイプと比較して，変換前と変換後の周波数を設計する自由度が高いというメリットがあります。今年度の実験において，テラヘルツ波の周波数変換が確認できなかったことの1つの理由として，光励起によって二酸化バナジウムのテラヘルツ応答特性を変化させた後の共振モードのQ値が低いということが考えられます。つまり，テラヘルツ波と共振モードの相互作用が小さいことが原因であると考えられます。 次年度以降では，テラヘルツ波と共振モードの相互作用を大きくし，できるだけ周波数変換効率が高くなるような素子構造を考えていく予定です。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
(理由)
本年度は，当初見込んでいた予定額よりもやや少ない額で研究が進んだため，次年度使用額が生じました。
(使用計画) 次年度使用額は，2020年度の請求額と合わせまして，主に消耗品費として使用する予定です。
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