佐藤 昭

ミリ波帯の高周波と光周波数を相互に変換可能なキャリアコンバータ技術の研究開発を行う。本受託研究では、ミリ波帯に対応した高効率Ｅ／Ｏ変調モジュールの開発を行い、シームレスなキャリア周波数の変換を実現する。高い機械振動に対応したミリ波帯ビーム制御技術の開発を行い、高い環境耐性を実現する。これらの技術を用いたキャリアコンバータユニットを開発し、自動車へ実装し、車載適用の実証検証を実施する。 また、将来のさらなる大容量化を想定し、高精度 AM モード多重用高精度マルチプレクサ/デマルチプレクサ、光源用波長変換デバイス、光電子融合ミキサの研究開発も並行して実施する。

本研究は、サブTHz～THz帯を利用して100～1000 mの近距離を100 Gbit/s級超高速無線伝送を実現し得る送信・受信デバイス・プロトタイプを開発・実証することを目的とする。周波数可変で室温動作可能なmW級出力のコヒーレント単一波長サブTHz～THz光源、高速データ変調されたサブTHz～THz変調波の高速コヒーレント検波を実用レベルで実証・実現する。

本研究では、二次元(2D)プラズモン共鳴を活用した、非対称二重回折格子ゲート構造を有するTHz波エミッタ・ディテクタにおけるプラズモン不安定性の研究を行なう。２つのプラズモン不安定性の同時発現で期待される強調的非線形相互作用（正帰還）の効果を理論的に解明、実験的に実証し、その発現とデバイス構造・材料パラメータの相関を定量的に明らかにする。

グラフェンにおける光学フォノンが高いエネルギーを有していることを利用して、近赤外／中赤外光をグラフェンに照射し、遠赤外／THz周波数領域に相当する低いキャリアエネルギーにおいてキャリア反転分布を起こさせ、遠赤外／THz光を放射するレーザーとして活用することが考えられている。このようなデバイスにおいて、低温下での音響フォノン、キャリア再結合／自然放射過程を考慮した際のキャリア分布の解析を行なった。キャリアの運動論的方程式にこれらの過程を組み込み、数値解析的に解くことにより、キャリアの非平衡分布を計算した。この解析により、音響フォノン、再結合／自然放射過程が相互作用によってキャリアのエネルギーがゼロになる付近では反転分布は起こらず、> 5 meV の領域において反転分布が起こることが示された。

運動論的方程式に基づいてHEMTチャネルの二次元電子ガスにおけるプラズマ波のコンピュータシミュレーションを行ない、そのような系においてプラズマ波が急激に減衰することを発見した。そして減衰定数を計算することにより、この減衰は、電子の速度分布によってプラズマ波がずれ、さらには電子がコンタクトに抜け出てチャネル内のプラズマ波の復元力が弱まることにより起こることを突き止めた。

中央に有限幅のコンタクトを有する二次元電子ガスにおける、電磁波照射によるプラズモン－ポラリトン励起を理論的に解析した。マクスウェル方程式と線形化流体力学方程式を組み合わせることにより積分方程式を導き、フーリエ展開法によりさらに行列方程式に還元して数値計算を行なった。この解析により、電磁波の二次元電子ガスによる吸収（プラズモン－ポラリトン励起）が電磁波の周波数、および遅延パラメーターに大きく依存することを示した。

二次元電子チャネル内のプラズマ振動の周波数および減衰定数が、有限の電子伝導率を持つスロット型コンタクトによってどのような影響を受けるか、解析的研究を行った。線形流体力学方程式とポアッソン方程式を組み合わせて固有値問題に帰することにより、そのような系でのプラズマ周波数と減衰定数を数値解析によって求め、コンタクトの伝導率の関数として導出した。結果として、コンタクトの伝導率がチャネルのそれと同程度の場合、プラズマ振動はコンタクトに浸み出し、コンタクト中の電子散乱によって大きな減衰を受けることが見出された。

テラヘルツ・フォトミキシングを行う高電子移動度トランジスタ内のプラズマ振動の周波数および減衰定数が、p+基板に存在するホールによってどのように影響を受けるか、解析的研究を行った。