JP5590562B2 - エタロンフィルタを用いた周波数校正システム、周波数校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波領域における光源、分光器、フィルターなどの周波数校正において、正確に周波数校正を行うことができるエタロンフィルタ、周波数校正装置、周波数校正方法に関する。

平行反射面の多重反射による干渉を利用した周波数選択性を有するエタロンフィルタは、簡便な周波数標準として光領域において主に実用化されている。これらのエタロンフィルタは反射膜と反射防止膜が必要に応じて成膜されたガラス基板を２枚用意し、反射膜が成膜された面を対向させてギャップ材を接合して固定したものである（たとえば、特許文献１）。

また、テラヘルツ領域（0.1〜100THzの周波数を有する電磁波）におけるエタロンとしてGaAs（ガリウムヒ素）やSi（シリコン）平板の両端面を反射面に利用した平行平板エタロン（いわゆるソリッドエタロン）や、２枚のSi板にスペーサーを挟んだエアギャップエタロンなどが開発されている（非特許文献１）。特に、エタロンフィルタの周波数選択性は共振器長と共振器内の媒質の屈折率に依存するため、周波数標準としてのエタロンには、屈折率測定が困難な平行平板エタロンよりも、エアギャップエタロンが有効である。

特開２００３−１９５０３１号公報

M Naftaly,R A Dudley,J R Fletcher,F Bernard,C Thomson,Z Tian,"Frequency Calibration of Terahertz Time-Domain Spectrometers",J.Opt.Soc.Am.B,Vol.26(7),2009,pp.1357-1362.

特許文献１記載のエタロンでは、光通信用の光波長のためのエタロンであるため、テラヘルツ波のエタロンとして使用することはできない。

一方、非特許文献１に記載されたSi平板を用いたエアギャップエタロンは、共振器長の評価に課題がある。なぜなら、Siは、光学的に不透明であるため、光学的手法で共振器長を評価することができない。そのため、共振器長を評価するにはスペーサーの厚みやSi平板の面粗さや平行度などを幾何学的に部品ごとの寸法を測定し、共振器長を推定する必要がある。よって、２枚のSi板とスペーサーをエアギャップエタロンとして組み合わせた後に、非破壊的に共振器長を評価することは困難であり、また、共振器長の測定精度は基準となる周波数の測定精度に直結するが、Si平板を用いたエアギャップエタロンの場合、個々の幾何学的測定と組み立てによる不確かさなどが加算され、測定精度の低下を招く恐れがあるという問題があった。

このため、Si平板を用いたエアギャップエタロンは、共振器長を正確に測定できないために、テラヘルツ波の周波数標準として用いることができないという問題があった。本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、共振器長を簡便に、また正確に測定することができ、テラヘルツ帯での周波数標準として用いることのできるエタロンフィルタを提供し、またテラヘルツ帯での周波数校正装置、周波数校正方法を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明のエタロンフィルタは、光及びテラヘルツ帯で透過性を有する２枚の基板を、それぞれスペーサーに接合することで前記２枚の基板の間に空隙を設けるように構成する。

また、基板のスペーサーを挟んで対向した２面に反射膜を、それぞれの基板の他方の面に反射防止膜を成膜することで反射率を調節する。

このように構成することで、光を透過させてその自由スペクトル間隔を測定することができる。また、本発明のエタロンフィルタはテラヘルツ波をも透過することができるため、テラヘルツ波を透過させて自由スペクトル間隔を測定することで、光を透過させた場合の自由スペクトル間隔と比較することで、エタロンフィルタの構造を破壊することなく、組み立てた後に、テラヘルツ波の周波数を正確に校正することができる。

また、本発明の周波数校正方法又は周波数校正装置は、一方の面に反射膜を、他方の面に反射防止膜を成膜した光及びテラヘルツ帯で透過性を有する２枚の基板を反射膜が成膜された面が互いに対向し、反射膜の面それぞれにスペーサーを接合することで２枚の基板の間に空隙を設けたエタロンフィルタで光源からの光を透過する。次に、エタロンフィルタを透過した光を検出器で検出し、自由スペクトル間隔測定器で検出した光の自由スペクトル間隔を測定する。テラヘルツ波を前記エタロンフィルタに照射し、テラヘルツ時間領域分光装置で自由スペクトル間隔を測定し、光を透過したときの自由スペクトル間隔と、テラヘルツ波を透過したときの自由スペクトル間隔を、テラヘルツ波周波数比較装置で比較、校正する。

本構成によれば、組み立て後にエタロンフィルタの共振器長を正確に測定することができるため、テラヘルツ波の周波数を正確に校正することができる。

本発明のエタロンフィルタであれば、光もテラヘルツ波も透過することが可能となり、エタロンフィルタの構造を破壊することなく、組み立てた後に、テラヘルツ波の周波数を正確に校正することができる。

光周波数からテラヘルツ周波数をトレーサブルに校正することが可能となる。本発明による光及びテラヘルツ波共用エタロンをテラヘルツ帯測定器の周波数検証のための管理用標準器として利用することができる。

また、反射膜と反射防止膜を成膜した場合は、共振器内部での多重反射を強め、透明板内部での多重反射を除去しているため、複合共振器の干渉の影響を受けずに測定が可能である。

本発明に係るエタロンフィルタの構成図である。 ファブリペロー干渉計に関する説明図である。 ファブリペロー干渉計の透過率を示すグラフである。 本発明に係る周波数校正装置のシステム構成図である。 本発明に係る自由スペクトル間隔の光学測定方法を示す図面である。

以下、本発明を実施するための形態について、実施例に基づいて図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るエタロンフィルタ１の構成図である。エタロンフィルタ１は、光及びテラヘルツ帯で透過性を有する材料で作製した２枚の平行平板である基板２及び３の間にスペーサー４を挟むことで実現できる。光及びテラヘルツ帯で透過性を有する基板２及び３の材料として、具体的にはTsurupica（登録商標）やダイヤモンドが利用できるが、当該周波数範囲において透過性を有する他の材料であってもよい。また、基板２及び３に、反射率を調節するために、それぞれ片面に反射防止膜５、６、反対側の片面には反射膜７、８を成膜することで禁反射面と強反射面を形成している。反射膜は、それぞれの基板がスペーサー４を挟んで対向する面に形成される。図１には、反射防止膜及び反射膜が成膜されたエタロンフィルタが示されているが、反射防止膜や反射膜は、反射率が所望の値であれば、必ずしも成膜する必要はなく、基板２、３とスペーサー４とのみで構成してもよい。反射率を所望の値に調整するために、反射防止膜や反射膜は成膜される。このため、反射防止膜及び反射膜双方が成膜されている必要はなく、どちらか一方のみが成膜されていてもよい。

スペーサー４は、基板２及び基板３の間に接合されており、スペーサーの高さの分、基板２及び３の間に空隙を設けることができる。空隙内の媒質を空気もしくは真空とすることで、高い温度安定性を保つことが可能である。また空隙内を真空とすることで、大気中の水蒸気による吸収などの、テラヘルツ波に対する影響を低減することも可能である。

スペーサー４は、接着剤などで基板２及び３の反射膜の面と接合される。スペーサーの材料としては、基板２及び３と同じ材料を使ってもよく、またピエゾ素子（圧電素子）で形成してもよい。ピエゾ素子を使用することで、スペーサーを任意の厚みに可変にすることができる。

図２は、本発明のエタロンフィルタ１により構成されるファブリペロー干渉計に関する説明図である。エタロンフィルタ１に９の方向から光またはテラヘルツ波を照射すると鏡面である反射面７、８で光またはテラヘルツ波が多重反射し、反射波同士が干渉し合う。このとき、反射面を透過した透過波には反射面７、８間の距離に依存する周波数選択性が存在する。反射面７、８間の距離をL、その間の媒質の屈折率をn、光速をcとすると、一定の周波数間隔で透過波の強度は極大となる。

これを自由スペクトル間隔(FSR)という。この極大点を基準に、周波数軸に一定間隔の目盛りを付加することができる。典型的なファブリペロー干渉計の透過光強度は、図３のようになる。反射膜の厚みの変更や反射膜の材料の変更（たとえば、透明伝導膜）などによって反射面の反射率を制御することにより、透過光の透過ピークの鋭さ（線幅）を任意に選択することが可能である。また、反射面の反対面に形成している反射防止膜により、基板２、３内部での多重反射を防止することができるが、反射防止膜の厚みの変更や反射防止膜の材料の変更によっても、反射率を制御可能である。

また、エタロンフィルタ１においては、媒質が空気もしくは真空であるため、屈折率ｎ＝１となる。従って、共振器長であるLの長さにより自由スペクトル間隔を制御することが可能となり、簡便な周波数標準として有効である。

このように本発明のエタロンフィルタ１は、光及びテラヘルツ帯において透過性を有する素材で構成されているので、エタロンとして組み立てた後に、光を用いて光領域における透過光または反射光の周波数特性を評価することで、エタロンの自由スペクトル間隔を評価することができる。測定した自由スペクトル間隔はテラヘルツ帯においても適用可能であるため、テラヘルツ帯における周波数透過特性を、非破壊的に測定することができ、テラヘルツ帯における周波数標準を提供することができる。

図４は、本発明のエタロンフィルタ１を用いた周波数校正システムを示す図面である。周波数校正システムは、光における自由スペクトル間隔測定システムとテラヘルツ波における自由スペクトル間隔測定システムとから構成され、両方のシステムにおいて同じエタロンフィルタ１を使用する。

光自由スペクトル間隔測定システムは、光源１１、エタロンフィルタ１、分光器１２とから構成される。光源１１は、広帯域光源であり、たとえばLED、白熱ランプ、ハロゲンランプ、キセノンアーク灯、メタルハライドランプ、ナトリウム蒸気ランプ等があげられるがこれに限られない。分光器１２は、予め周波数が校正された分光器である。分光器１２としては、たとえばスリットとプリズムまたは回析格子を組み合わせたものなどがあげられるが、これらに限られない。

光自由スペクトル間隔の測定においては、光源１１からの光がエタロンフィルタ１に照射されると、分光器においてエタロンフィルタからの透過光または反射光のスペクトルを測定し、そのピーク間隔から自由スペクトル間隔を測定することができる。

テラヘルツ波の自由スペクトル間隔測定システムは、超短パルスレーザー１３、ビームスプリッタ１４、可動鏡１５、発光素子１６、受光素子１７、検出処理装置１８を有するテラヘルツ時間領域分光装置と、エタロンフィルタ１と、から構成される。

超短パルスレーザー１３は、例えば、１００フェムト秒（１ｆｓ＝１０^-15ｓ）以下の光パルスを発振するレーザーなどパルスレーザー装置であり、所定周期でパルスを発生するパルス光源である。

ビームスピリッタ１４は、このパルス光源である超短パルスレーザー１３から発生するパルス波をポンプ光（励起光）とプローブ光とに分離する。

ポンプ光に基づいてテラヘルツ波を発生させるための発光素子１６は、光スイッチ素子を備えており、この光スイッチ素子は、ＧａＡｓなど高速応答する半導体基板上に低温結晶成長させたＧａＡｓなどの光伝導薄膜などが形成されている。光伝導薄膜上には発光素子用電極が形成されており、この電極部は微小アンテナとして作用する。アンテナの中央には微小ギャップがあり、電極間に直流電圧を印加し、ギャップ間に超短パルスレーザーで伝導電子を励起することでテラヘルツ波が発生する。

可動鏡１５は、プローブ光のポンプ光に対するタイミング差を調整・設定するためのものであり、図示しない光遅延制御装置により可動鏡の位置を駆動制御させることにより、プローブ光の光路長の設定・変更を行うものである。

発光素子１４で発生しエタロンフィルタ１を透過したテラヘルツ波は、受光素子１７で検出される。受光素子１７は、テラヘルツ波とプローブ光とを受光することによりテラヘルツ光検出信号を出力する。この受光素子１７は、例えば発光素子と同様の構成を有する光スイッチ素子である。受光素子１７には電流計が接続されており、アンテナにテラヘルツ波を集束し、反対側からプローブ光である光パルスを受光する。これにより瞬時電流が流れることとなる。

検出処理装置１８は、受光素子１７からの供給される電流信号を解析する装置である。通常は、電流信号を電圧信号に変換し、振幅スペクトルを分析することでテラヘルツ波を検出する。テラヘルツ波の時間波形とそれをフーリエ変換することにより周波数ごとの振幅と位相を得る。これらのスペクトルの分析やフーリエ変換処理などは、コンピュータで行われる。これによりテラヘルツ波の自由スペクトル間隔を得る。

テラヘルツ波周波数比較装置１９は、分光器１２で得られた光における自由スペクトル間隔のデータと検出処理装置１８で得られたテラヘルツ波における自由スペクトル間隔のデータを受信し、これらを比較し、テラヘルツ波の周波数を校正する装置である。自由スペクトル間隔は、テラヘルツ波でも光でも周波数軸上では共通であるため、同じ周波数であれば、自由スペクトル間隔は一致する。テラヘルツ波周波数比較装置は、受信した自由スペクトル間隔が一致するかどうか、比較し、一致しない場合には、テラヘルツ波の周波数を校正する。具体的には、テラヘルツ時間領域分光装置を校正する。このようなシステム構成とすることで、テラヘルツ波の周波数を校正することが可能となる。

図５は、本発明に係る自由スペクトル間隔の光学測定方法を示す図面である。上段は、図４の光における自由スペクトル間隔測定システムと同じであって、広帯域光源１１と本発明のエタロンフィルタ１、分光器１２とから、構成されている。下段が、上段に代わる光における自由スペクトル間隔測定システムの別の実施形態を示している。

周波数可変光源２１は、周波数を校正済みの光源であって、周波数を可変にすることで、所定の周波数を有する光を発生させることができる光源である。また、検出器２２は、周波数可変光源２１からエタロンフィルタ１に照射され、透過された光を検出する検出器である。周波数校正済みの光源を用いることで、より簡易な構成で、本発明を実施することが可能となる。

本発明によるエタロンフィルタは、テラヘルツ光の周波数を正確に校正することができ、産業上有用である。

1 エタロンフィルタ
2 基板
3 基板
4 スペーサー
5 反射防止膜
6 反射防止膜
7 反射膜
8 反射膜
9 光およびテラヘルツ波の入射方向

Claims (6)

1. 光（１００ＴＨｚより高い周波数を有する電磁波）及びテラヘルツ波（０．１〜１００ＴＨｚの周波数を有する電磁波）で透過性を有する２枚の基板にスペーサーを接合することで前記２枚の基板の間に空隙を設けたエタロンフィルタで光源からの光を透過し、
   前記エタロンフィルタを透過した光を検出器で検出し、
   自由スペクトル間隔測定器で検出した光の自由スペクトル間隔を測定し、
   テラヘルツ波を前記エタロンフィルタに照射し、テラヘルツ時間領域分光装置で自由スペクトル間隔を測定し、
   テラヘルツ波周波数比較装置で光を透過したときの自由スペクトル間隔と、テラヘルツ波を透過したときの自由スペクトル間隔を比較し、テラヘルツ波の周波数を校正する、
   周波数校正方法。
2. 前記光源は、周波数校正済みの可変光源であることを特徴とする請求項１記載の周波数校正方法。
3. 前記光源は、広帯域光源であって、前記検出器は所定の周波数を分光する分光器であることを特徴とする請求項１記載の周波数校正方法。
4. 光源と、
   光（１００ＴＨｚより高い周波数を有する電磁波）及びテラヘルツ波（０．１〜１００ＴＨｚの周波数を有する電磁波）で透過性を有する２枚の基板を反射膜が成膜された面が互いに対向し、前記反射膜の面それぞれにスペーサーを接合することで前記２枚の基板の間に空隙を設けたエタロンフィルタと、
   前記光源から前記エタロンフィルタに入射し透過した光を検出する検出器と、
   検出した光の自由スペクトル間隔を測定する自由スペクトル間隔測定器と、
   テラヘルツ波を前記エタロンフィルタに照射し、自由スペクトル間隔を測定するテラヘルツ時間領域分光装置と、
   光を透過したときの自由スペクトル間隔と、テラヘルツ波を透過したときの自由スペクトル間隔を比較し、テラヘルツ波の周波数を校正するテラヘルツ波周波数比較装置と、
   を有する周波数校正システム。
5. 前記光源は、周波数校正済みの可変光源であることを特徴とする請求項４記載の周波数校正システム。
6. 前記光源は、広帯域光源であって、前記検出器は所定の周波数を分光する分光器であることを特徴とする請求項４記載の周波数校正システム。