THz波送受信システム、気球搭載システムの開発に従事。wave)という言葉を聞いたことがあるでしょうか。それは、テラヘルツの周波数をもった電波のことです。10の12乗を意味するので、1テラヘルツ(THz)というのは1秒間に1兆回振動する電波のことです。数が違うだけで同じ電磁波です。テラヘルツ波というのは、ちょうど光と電波の間の領域にあり、0.1THz~10THz辺りが、テラヘルツ波と呼ばれています。これまであまり利用が進んでいない未開拓の周波数領域でしたが、最近では技術開発が進み、その応用も期待されてきています。通信分野への応用としては、高い周波数を利用した超高速無線通信が期待されます。帯の超伝導受信機を載せた装置です。35kmの成層圏に上げて、2003、2004、2006年に観測が行われました。ロケットにより、こうのとり1号機に搭載されて打ち上げられ、約半年間観測を行いました。Laser)という新しい半導体レーザが提案、開発されました。サブバンド間のキャリアの遷移による発光を利用するレーザです。このバンド構造(ユニット)を多数重ねることによって、一度発振に寄与したキャリアが次のユニットに注入され、次の発振に寄与することから、高い出力が得られるという特徴があります。私たちはこのデバイスを自分たちで作っています。いう化合物半導体をナノメートル(nm)という極薄い厚みで積層して作製します。写真と、それをチップキャリアにマウントした写真を示します。程度に冷却し、電圧をかけるとテラヘルツ波が発生します。発振していることを確認しました。発振周波数は、バイアス電圧を調整することで制御することが出来ます。作製したテラヘルツ量子カスケードレーザデバイスの電子顕微鏡写真。チップキャリアにマウントした写真。Mixer)と呼ばれる、超伝導を利用した高感度受信機を開発しています。センサの心臓部は、シリコン基板上に作られた、NbN(窒化ニオブ)という超伝導体の非常に薄い膜から出来ています。“ホットエレクトロン”が作られます。この熱の冷却に要する時間が、膜のサイズがとても小さく(0.4μmx4μm)、薄い(3nm)ため、ナノ秒オーダーと、とても短いのがこのデバイスの特徴です。今ここに、少し周波数の違う2つのテラヘルツ波の信号が入ってきたとします。性を持っているため、信号を単なる熱としてだけでなく、波として捉えることが出来ます。このデバイスの作製もNICT(神戸)で行っています。図4(a)はデバイス中心部の電子顕微鏡写真で、中心部に超伝導体薄膜があり、これにテラヘルツの信号を受けるためのスパイラルアンテナと呼ばれる、渦巻き状のアンテナが取り付けられています。図4(b)はデバイス全体の写真で、図4(c)はこのデバイスを取り付けるミキサマウントです。図4、ホットエレクトロンボロメータミキサデバイスの(a)中心部の電子顕微鏡による拡大写真、(b)全体写真、及び(c)ミキサマウントの写真。私たちが開発しているテラヘルツ波の受信機は、ヘテロダイン受信機と呼ばれるもので、電波のスペクトルを測定出来る検出器です。図5にヘテロダイン受信機の写真を示します。測定したいテラヘルツ波の信号を受信する場合、その信号とほぼ同じ周波数を持った信号(局部発振器信号)をミキサに入れて、それらの差周波の信号(中間周波数信号)を取り出します。落とし、この信号を増幅してスペクトルを検出します。図6にヘテロダイン受信機の写真を示します。テラヘルツ波を発生する局部発振器として、テラヘルツ量子カスケードレーザを用いています。発生する発振器を用いています。図7に検出されたスペクトルを示します。テラヘルツ波の信号が測定出来ることが示され、スペクトラムアナライザとして動作することが確認されました。図5、ヘテロダイン受信機の概念図。程度)揺らいでいるため、周波数測定精度はその分落ちてしまいます。この問題を解決するにはレーザに位相ロックをかけて、周波数を安定化させる必要があります。位相ロックをかけるには、周波数の安定したテラヘルツ波の基準信号との周波数の差分をビート信号として検出し、それを電圧にしてテラヘルツ量子カスケードレーザのバイアスにフィードバックをかけて、周波数を安定化させます。私たちは基準信号として、マイクロ波の逓倍による発振器や、周波数コムから作られるテラヘルツ波、また、テラヘルツコム信号を用いています。ビートを検出する受信機としては、ホットエレクトロンボロメータミキサを使いました。図8に、位相ロックの結果を示します。図8(a)が位相ロックをかけていない時のビート信号で、位相ロックをかけると、図8(b)のように中心部の線幅が細くなり、基準信号にロックされたことが分かります。0.1Hz)であることが分かりました。位相ロックをかけた時のビート信号のスペクトル。将来の飛翔体搭載を目指して、まだまだ開発すべき課題が多くあります。実際に分子からの放射電波スペクトルを測定することにより、受信機の動作実証を行うことです。分子ガスから放射される電波は微弱なため、より高感度なミキサの開発も重要となります。受信機システム全体が長時間安定に動作することや、振動や衝撃にも強くなくてはいけません。サイズや重量、消費電力を小さく(少なく)抑えることも重要です。真空や低温の環境下でも動作する必要もあります。いつの日かこの受信機が大空や、宇宙に行くことを夢見ながら、日々の開発に取り組んでいます。