小型広帯域テラヘルツ光高速計測システムの開発

テラヘルツ帯高周波スペクトルの高速測定が可能な計測システムとして,YBCO高温超伝導体薄膜を用いた人工粒界接合ジョセフソン接合素子を検出器として用いたジョセフソン自己検出型分光器を提案した。MgOバイクリスタル基板上に作製したジョセフソン検出器は,平面型ログペリ・アンテナと集積することにより30GHzから14THzまでの間でほぼ均一な高周波結合特性を有し,さらにシリコン超半球レンズ/PTFEレンズによって構成される準光学導波路によって室温環境にある高周波信号源と結合させた。先ず,液体ヘリウム冷却による実験を行い,高温超伝導人工粒界ジョセフソン接合型検出器の高周波特性と接合特性との関係を詳細に検討し,接合特性の最適化により最高で30,000V/Wの検出器感度と帯域幅1Hzの測定において38dBmのダイナミックレンジを得ることに成功した。一方,準光学導波システム,広帯域アンテナを含めたシステム全体の検出感度は600V/Wと低い値に制限されている最も大きな要因はアンテナと検出器のインピーダンス不整合にあることを突き止めた。これらの成果をもとに,より実用的な検出システムを構築することを目的に,小型のパルス管冷凍機を用いて無冷媒冷却による可搬型システムの実証試験を行った。その結果、冷凍機による余剰雑音の発生は観測されず,前述の検出感度特性が可搬型システムでも再現されることを明らかにした。これらの実験を通して最高検出周波数は4.2THzに到達しており,今後インピーダンス整合の改善により極めて高感度にテラヘルツ波スペクトルを短時間で測定できる小型分光計測システムの実現につながると期待される。

テラヘルツ帯高周波スペクトルの高速測定が可能な計測システムとして,YBCO高温超伝導体薄膜を用いた人工粒界接合ジョセフソン接合素子を検出器として用いたジョセフソン自己検出型分光器を提案した。MgOバイクリスタル基板上に作製したジョセフソン検出器は,平面型ログペリ・アンテナと集積することにより30GHzから14THzまでの間でほぼ均一な高周波結合特性を有し,さらにシリコン超半球レンズ/PTFEレンズによって構成される準光学導波路によって室温環境にある高周波信号源と結合させた。先ず,液体ヘリウム冷却による実験を行い,高温超伝導人工粒界ジョセフソン接合型検出器の高周波特性と接合特性との関係を詳細に検討し,接合特性の最適化により最高で30,000V/Wの検出器感度と帯域幅1Hzの測定において38dBmのダイナミックレンジを得ることに成功した。一方,準光学導波システム,広帯域アンテナを含めたシステム全体の検出感度は600V/Wと低い値に制限されている最も大きな要因はアンテナと検出器のインピーダンス不整合にあることを突き止めた。これらの成果をもとに,より実用的な検出システムを構築することを目的に,小型のパルス管冷凍機を用いて無冷媒冷却による可搬型システムの実証試験を行った。その結果、冷凍機による余剰雑音の発生は観測されず,前述の検出感度特性が可搬型システムでも再現されることを明らかにした。これらの実験を通して最高検出周波数は4.2THzに到達しており,今後インピーダンス整合の改善により極めて高感度にテラヘルツ波スペクトルを短時間で測定できる小型分光計測システムの実現につながると期待される。