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指先サイズの波長掃引量子カスケードレーザーを開発 ~光源に搭載し,持ち運び可能な火山ガスモニタリングシステムの実現を目指す~

 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)と浜松ホトニクス株式会社は2021年8月17日,NEDOが進める「IoT社会実現のための革新的センシング技術開発」において,浜松ホトニクス独自の微小電気機械システム(MEMS)技術と光学実装技術を活用し,従来製品の約150分の1となる世界最小サイズの波長掃引量子カスケードレーザー(QCL)を開発したと共同発表した.

 火山の噴火予知では,噴火の数カ月前から濃度が上昇する火山ガス中の二酸化硫黄(SO2)や硫化水素(H2S)などをモニタリングする手法が一般的である.このため,ガスを検知する電気化学式センサーによる分析装置を火口付近に設置し,火山ガスの成分をリアルタイムで分析している.しかし,電極でガスを検知する電気化学式センサーでは,電極が火山ガスと接するため寿命が短く性能が劣化しやすいことから,部品交換などのメンテナンスが欠かせない,長期間の安定的なモニタリングが難しい,という課題があった.一方,寿命が長い光源や光検出器を用いる全光学式の分析装置はメンテナンスの手間が少なく,また高い感度で長期にわたり安定して成分を分析することができるものの,光源のサイズが大きく装置が大型になってしまうため,火口付近への設置が難しいという課題があった.

 この課題に対し,浜松ホトニクスと国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)は2020年から,NEDOの「IoT社会実現のための革新的センシング技術開発」プロジェクトで,全光学式で小型・高感度,かつ高いメンテナンス性を備えた次世代火山ガスモニタリングシステムの実現に向けた研究開発に取り組んできた.本プロジェクトで浜松ホトニクスは分析装置向け光源の小型化を進め,今回,SO2やH2Sに吸収されやすい7~8μmの中赤外波長範囲で高速に波長変化させて出力する世界最小サイズ(13×30×13mm3)の波長掃引QCL(Quantum Cascade Laser)の開発に成功した.QCLは2種類の異なる半導体を,数原子単位で超高精度に多数積層させることにより形成した半導体量子構造内のサブバンド間の遷移を用い,QCL発光層に浜松ホトニクス独自の結合二重上位準位構造(動作状態において強く結合した2本のレーザー上位準位を持つ活性層構造)を用いることで,中赤外の波長領域においてパルス駆動で最大ピーク出力約150mWを得た.また,QCLからの中赤外光を分光し反射するMEMS回折格子の傾き角度を変化させることで,中赤外光の波長を波長分解能約15nmで高速に掃引した.

 QCLの小型化に向けて,QCLの体積の大部分を占めるMEMS回折格子の設計を抜本的に見直し,従来比で約1/10のサイズとなるMEMS回折格子を開発した.さらに,小型の磁石を採用し配置を工夫することで不要なスペースを削減した.浜松ホトニクス独自の光学実装技術により構成部品を0.1μm単位で高精度に組み立て,従来製品と比較し約1/150のサイズとなる世界最小の波長掃引QCLを実現した.

 本開発の波長掃引QCLを,産総研のセンシングシステム研究センターが開発したMEMS回析格子駆動システムと組み合わせることで,20ms以下で中赤外光の連続スペクトルを取得する高速動作と周辺回路の簡略化が実現できる.また,光源として搭載し,分析装置を持ち運びできるサイズまで小型化できる.
今後,火山ガスモニタリングシステムに搭載し,多点観測実証実験を行う.本開発のQCLは,下水道での有毒ガスの漏えい検出や大気計測などへも応用できる,としている.