| ||||
2001年7月2日 文部科学省国立天文台 日本電信電話株式会社 |
||||
【概略説明】 ■ フォトニクス技術によるミリ波・サブミリ波の発生 電波天文学や分子分光学の分野では、電磁波のスペクトルを測定する標準的手法として、信号周波数を低周波数（〜数ギガヘルツ以下）に変換してから周波数分析する方法（ヘテロダイン法という）が使われている。このような方法をとることにより、非常に精度の高い分析が可能となるためである。このため、周波数変換に使用する基準信号源（局部発振器という）には、高純度・高安定度のものが必要とされてきた。 ミリ波・サブミリ波帯での局部発振器として最も標準的な方法は、ガン発振器などの半導体発振器と逓倍器を組み合わせたものである。この方法では従来、機械的なチューニング機構なしで広帯域での信号発生は困難であった。この問題を解決する新しい手段として、国立天文台とＮＴＴフォトニクス研究所は共同してフォトニクス技術（光・電波融合技術）を応用した信号源の開発を進めてきた。新しい方式では周波数の異なる２つのレーザー光をフォトミクサーによって混合し、その差周波数としてミリ波からサブミリ波にかけての信号を発生させる方法である（下図）。 |
||||
| ||||
■ 手のひらサイズで世界最高レベルの出力に成功 ＮＴＴフォトニクス研究所で開発してきた超高速フォトダイオードは上記の目的にとって最適のデバイスであるため、昨年からＮＴＴと国立天文台との間でフォトニック信号源の共同開発研究を進めてきた。研究の第一段階として、同フォトダイオードを波長３ｍｍ帯の導波管に組み込んだフォトミクサーを開発し、世界における同様な方式での出力に比べ２０倍以上高い出力（約1ミリワット）を発生させることに成功した。しかも、２波長のレーザー光の波長間隔を調整することにより、波長３ｍｍ帯で７５ＧＨｚ〜１１０ＧＨｚというきわめて広帯域で平坦な出力特性を得た。レーザー光の波長は通信分野で標準の１．５５ミクロンを使用しているため、将来の技術発展への即応性という面でも大変有利である。また、波長１．５５ミクロンは光ファイバでの長距離低損失伝送が可能なので、長基線の電波干渉計にとっては大変魅力的である。 本フォトミクサーには大掛かりな光学系を介さないで光ファイバから直接レーザー光を注入できるため、装置は超小型で手のひらにのるサイズである。実際に光からミリ波への変換は１０ミクロン以下というきわめて小面積の部分で行われる。また、導波管は電磁波を閉じ込めるという点では大変効率がよい。 ■ テラヘルツへの挑戦 本実験に使用した超高速フォトダイオードは、ＮＴＴフォトニクス研究所が開発したＵＴＣ(Uni-Traveling-Carrier)フォトダイオードと呼ばれるもので、電子の動きのみを効果的に利用することにより超高速応答を可能にできた。この技術は、超高速光通信のみならず様々な超高速信号処理などへの応用が期待されている。このフォトダイオードのパルス応答実験からＴＨｚ（テラヘルツ）領域までの信号発生が可能であると期待されるため、サブミリ波天文学で必要とする１ＴＨｚあるいはそれ以上の信号発生に挑戦している。当面はフォトダイオードを広帯域アンテナに搭載した準光学方式でテラヘルツ領域までの測定評価を予定しており、1年以内に３５０ＧＨｚ帯用導波管マウント型フォトミクサーを開発する計画を進めている。 ■ ＡＬＭＡ（アルマ）計画への応用 チリの５０００ｍ高地に日・北米・欧の国際協力で建設が予定されている巨大電波望遠鏡ＡＬＭＡでは、低雑音の超伝導受信機を使って宇宙からの微弱なミリ波・サブミリ波を受信する。銀河や星間物質などの分子スペクトル観測のために、上記ヘテロダイン法が使われる。ＡＬＭＡのように１４ｋｍの範囲に配置された多数のパラボラアンテナを結合して宇宙を観測するＡＬＭＡにとって、このフォトニクス技術による局部発振器の技術は重要なキーテクノロジーの一つである。 １０ｋｍ以上も離れたパラボラアンテナに高純度の基準信号を分配するには光ファイバ伝送が唯一可能な方法であり、また１０００台近い受信機ユニットの安定な運用にとって、シンプルで機械的な可動部分のないフォトニック局部発振器は大変有利な方法である。フォトニック局部発振器は、国際協力で建設されるＡＬＭＡにおいて日本の貢献に大きな期待が寄せられている分野である。この技術は将来、電波天文学、とりわけミリ波・サブミリ波天文学にとって間違いなく大きなブレークスルーをもたらすであろう。例えば超広帯域のヘテロダイン観測が可能なサブミリ波天文観測衛星への応用などが考えられる。 ■ 期待される波及効果 本技術は天文学のみならず、分光学、高度情報通信、地球大気環境計測、医療診断技術、核融合プラズマ診断など非常に広範囲な分野への波及効果が予想される。 注）なお、本研究は文部科学省科学研究費補助金［研究課題名：「フォトニクス技術による超広帯域サブミリ波ヘテロダイン観測法の開発」、平成１２年度〜１４年度、研究代表者：石黒正人（国立天文台）］によって実施されたものである。 |
||||
・導波管型フォトミクサの構造 ・フォトミクサーからの出力信号例および従来性能との比較 | ||||
| ||||
 NTT NEWS RELEASE |