テラヘルツ帯で動作する、超高精度・広帯域の小型周波数カウンタを開発

テラヘルツ波は1秒間に10¹¹～10¹³回も振動する電磁波で、現代の高速電子回路技術を用いてもその振動回数を直接計数することは困難です。そのため、テラヘルツ波の測定では計数可能な周波数帯まで下方変換するために、既知の周波数値を持つテラヘルツ基準との周波数差を得られるビート計測法を利用します。このとき、テラヘルツ基準を定規の目盛りのように等間隔で広い周波数範囲に分布させると、様々な被測定テラヘルツ波に対応できるため、複数のテラヘルツ基準の集合体である周波数コム（テラヘルツコム）が利用されます。これまで、半導体や光学結晶の非線形効果で発生させたテラヘルツコムを用いた周波数計測システムの開発が報告されてきましたが、組み込まれている超短パルスレーザーが装置の小型化や運用コストの削減を妨げていました。その上、動作帯域と計測限界に関する包括的な性能調査は行われていませんでした。

今回開発した半導体超格子ハーモニックミキサを用いたテラヘルツ周波数カウンタは、半導体超格子デバイスの特徴的な性質の一つである負性抵抗と呼ばれる非線形効果によって、デバイスに入力されたマイクロ波帯の局部発振器信号からテラヘルツコムを直接発生できる簡便な原理に基づいており、実用化に向けた重要な目標点であった小型化と操作性の良さを同時に実現しました。以前に開発した従来型の計測システムと比べて、装置の専有面積は約40分の1に縮小され、レーザーに関する専門知識を必要としない操作も可能になりました。

帯域1 THz以下の性能評価では、高安定度なテラヘルツ発振器の周波数を2台のテラヘルツカウンタで同時計測した後、それらの周波数差からカウンタ本来の測定精度を求めました（図4(a)参照）。一方、帯域1 THz以上では、テラヘルツコム基準に安定化されたテラヘルツ量子カスケードレーザーの周波数を独立したカウンタで相対計測することで評価しました（図4(b)参照）。これら2つの相補的な評価系を採用して、4オクターブを超える非常に幅広い帯域0.1 THz～2.8 THzで高精度に計測限界を確認することに成功し、カウンタ本来の計測限界が1×10^-16以下に到達することを実証しました（図5(a)参照）。より詳細な調査から、将来的には3.7 THzまで動作帯域を拡張できることが期待されます。また、開発したカウンタは高い周波数安定度を持ち、短い測定時間内にテラヘルツ周波数の値を精度よく決定することも可能です（図5(b)参照）。

これらの結果は、Beyond 5G / 6G時代に向けて周波数標準器の較正サービスを電波産業などの様々なニーズに応えて高周波化することに貢献し、また、極低温分子を使ったテラヘルツ周波数標準の開発にも役立つと考えています。