テラヘルツ周波数標準

電波と光の中間にあるテラヘルツ帯（0.1THz ~ 10THz）は、長く「未開拓周波数帯」と呼ばれてきました。ところが、ナノテクノロジーと量子エレクトロニクスの発展の恩恵を受けて、この未開拓周波数帯が次世代の情報通信基盤Beyond 5G / 6Gにおける貴重な周波数資源として注目されています。テラヘルツ帯の有効利用には、現在スマートフォンなどで利用しているマイクロ波・ミリ波帯といった電波資源と同様に、様々な産業や研究に向けて周波数バンドを正確に区分でき、適正な運用を可能にするための周波数標準器が必要不可欠になります。しかしながら、国際度量衡委員会の推奨する放射リストにはテラヘルツ帯の周波数標準器が存在しません。時空標準研究室は世界に先駆けてテラヘルツ周波数標準器の確立を目指しています。

我々が開発中のテラヘルツ周波数標準器は、一酸化炭素分子の吸収線を参照基準として安定化した発振周波数3.1THzの量子カスケードレーザーです。「分子指紋領域」とも呼ばれるテラヘルツ帯には多種多様な分子吸収線が存在しますが、一酸化炭素は外部環境の電磁場の影響を受けにくいため安定な参照基準として適しています。また将来計画である、レーザー冷却された極低温分子を用いたテラヘルツ分子時計の理論研究も進めており、数億年に一秒しかずれない高性能な時計を実現して世界協定時へ貢献すると同時に、物理定数の時間的変化の観測に活用することで基礎物理学の検証にも役立てる考えです。

テラヘルツ標準器の性能向上には正確な周波数計測が要求されるため、精密テラヘルツ周波数計測技術の研究にも取り組んでいます。時空標準研究室で開発されたテラヘルツ周波数カウンタは半導体超格子ハーモニックミキサで発生させたテラヘルツコムを利用することで広い測定帯域と高い計測精度を達成しつつ、これまでに開発された装置と比較してシンプルな構造で取り扱いやすく、常温動作することが特徴です。このテラヘルツカウンタは、Beyond 5G / 6G時代における電波産業などの様々なニーズに対応して、NICTで提供している周波数標準器の較正サービスにも活用していく予定です。

外部リンク

Recommended values of standard frequencies
メートルの定義や秒の二次表現を現示するための放射リスト（発行:国際度量衡局）

参考文献

1) S. Nagano, M. Kumagai, H. Ito, Y. Hanado and T. Ido, Terahertz frequency counter based on a semiconductor-superlattice harmonic mixer with four-octave measurable bandwidth and 16-digit precision, Metrologia, 58, 055001 (2021)

2) S. Nagano, M. Kumagai, H. Ito, M. Kajita and Y. Hanado, Phase-coherent transfer and retrieval of terahertz frequency standard over 20 km optical fiber with 4 x 10⁻¹⁸ accuracy, Appl. Phys. Express, 10, 012502 (2017)

3) S. Nagano, H. Ito, M. Kumagai, M. Kajita and Y. Hanado, Microwave synthesis from a continuous-wave terahertz oscillator using a photocarrier terahertz frequency comb, Opt. Lett. 38, 2137 (2013)

4) H. Ito, S. Nagano, M. Kumagai, M. Kajita and Y. Hando, Terahertz Frequency Counter with a Fractional Frequency Uncertainty at the 10⁻¹⁷ Level, Appl. Phys. Express 6, 102202 (2013)

5) M. Kajita, G. Gopakumar, M. Abe and M. Hada, Elimination of the Stark shift from the vibrational transition frequency of optically trapped ¹⁷⁴Yb⁶Li molecules, Phys. Rev. A 84, 022507 (2011)