滨松成功开发出频率可变范围在0.42~2THz量子级联激光器模块

我们通过分析太赫兹波（※1）的产生原理、提高量子级联激光器（以下简称QCL，Quantum Cascade Laser ※2）输出功率，同时利用滨松自主的光学设计技术，加上高效的外部谐振器（※3），成功开发出了可在0.42~2太赫兹（下简称THz，T为1万亿）范围内产生任意频率THz波的QCL模块。

本研究成果实现了仅用一个（QCL）模块通过切换频率产生窄带太赫兹波。通过该项应用，可以提高含有可被太赫兹波吸收的药物成分、食品和半导体材料的质量评估和无损检测，以及高分子聚合物材料的识别等的准确性。

此外，因为在实现超高速的无线通信中需要利用太赫兹波的特性，我们也期待此模块作为创新型的核心器件应用在未来超高速无线通信中。 本次研究成果已刊登在2月22日（星期二）发表在Optica Publishing Group出版的“Photonics Research（光子学研究）”电子版上。此研究的一部分受总务省“战略信息和通信研究与发展促进项目(SCOPE)”委托（受理号JP195006001）。

※1 太赫兹波：频率约为1THz的电磁波，具有介于无线电波和光之间的特性。

※2 QCL：通过在发光层中使用特殊结构，使之与传统激光器不同，实现在从中红外到远红 外的波长区域输出高功率的半导体光源。

※3 外部谐振器：在半导体激光器外部设置衍射光栅来构成谐振器。

太赫兹波

研发背景

由于待测样品中所含成分各异，对于易于吸收的太赫兹波的频率也会有所不同，利用这一特性，此次研究成果有望用于样品的质量评估、无损分析。此外，由于太赫兹波比高速通信标准“5G”所使用的频段频率还要高，因此该产品也有望用于下一代“6G”通信。

滨松公司在2018年通过利用独有的量子结构设计技术，采用反交叉双重高能态设计（AnticrossDAUTM），开发了太赫兹非线性QCL。此太赫兹非线性QCL可以根据样品中所含的成分，改变太赫兹波的频率并进行照射，再根据吸收率来提高分析精度。然而，目前还没有一种半导体激光光源可以在一个模块实现频率的变化。因此，我们一直在研究和开发可改变频率的QCL模块。

研发成果概要

此次研究中，我们分析了QCL中太赫兹波的产生原理，并利用多年来积累的晶体生长技术和半导体工艺技术优化了内部结构。 此外，我们还分析了太赫兹波在QCL内部传播的原理，发现顶面与高阻硅透镜的连接可以提高太赫兹波的产生效率，将输出功率提高到以往的5倍以上。结合滨松公司独有的光学设计技术，并给QCL搭配合适的衍射光栅（※4），形成一个高效的外部谐振器，再通过电控制衍射光栅，使倾斜度发生改变，进而实现可在0.42~2THz范围内产生任意频率的太赫兹波的QCL模块。

本次研究结果表明，待测样品中根据其不同成分，吸收频率不同的情况下，用一个模块切换频率并照射窄带太赫兹波来检查每种成分的吸收率，可以提高药物、食品和半导体材料的质量评估和无损检测的准确性。此外，它还有望应用于之前不易识别的塑料等高分子聚合物材料的识别。接下去，我们也将继续深入研究QCL的散热结构，目标实现THz波稳定连续的工作，期待太赫兹波在观测宇宙空间的射电天文学等领域、数据传输速度达到每秒几百千兆的超高速大容量短距离无线通发展方向上的应用。

今后，我们将利用滨松独有的微机电系统(MEMS)技术，将QCL模块缩小到指尖大小。

※4衍射光栅:利用不同波长的光衍射角度，对不同波长的光进行分类的光学元件。

频率切换原理

从太赫兹非线性QCL发射的中红外激光束在衍射光栅中进行反射。在这种情况下，通过电控制衍射光栅并改变倾斜度来实现THz波的频率的切换。

主要研究成果

1、比以往的太赫兹非线性QCL高出5倍的输出功率 我们分析了太赫兹非线性QCL中太赫兹波在内部传播的原理，发现其顶面与高电阻硅透镜的连接可以提高太赫兹波的产生效率。此外，通过利用多年来积累的晶体生长技术和半导体工艺技术优化内部结构，我们将1THz频段的峰值输出提高到亚毫瓦水平，是传统非线性QCL的5倍以上。

2、该频率可调范围为0.42~2 THz的QCL模块 我们在太赫兹非线性QCL顶面的抗反射膜的材料进行了深入研究，同时通过独有的光学设计技术，在QCL外部设置了匹配的衍射光栅，构成谐振器，再通过电器控制倾斜度，实现了室温操作下，Z低频率低至0.42～2THz范围内产生任意太赫兹波的QCL模块。

QCL模块的外观