JP2007103997A

JP2007103997A - 電磁波放射装置

Info

Publication number: JP2007103997A
Application number: JP2005287342A
Authority: JP
Inventors: Naofumi Shimizu; 直文清水; Tadao Nagatsuma; 忠夫永妻
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】簡素な構造で、電磁波を所望の方向に向けて放射できる電磁波放射装置を提供する。
【解決手段】光ビート信号を発生する光ビート信号発生部１と、光ビート信号をｎチャンネルに分岐する光分岐部２と、光分岐部２から入力されるｎチャンネルの光ビート信号の遅延量をそれぞれ独立に調整して出力する光遅延回路３と、光遅延回路３からの光ビート信号を受けてテラヘルツ波を放射するテラヘルツ波放射素子がアレイ状にｎ素子配置されたテラヘルツ波放射源６と、光遅延回路３から出力されるｎチャンネルの光ビート信号の遅延量を制御することによりテラヘルツ波放射素子が放射するテラヘルツ波の位相をそれぞれ制御し、これによりテラヘルツ波放射源６が放射するテラヘルツ波の方向を制御する制御部９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、イメージングや材料分析に用いられるミリ波帯からテラヘルツ波帯の電磁波を発生する電磁波放射装置に関する。

従来の電磁波放射装置として、例えば非特許文献１に開示されたものがある。図５は従来の電磁波放射装置を示す構成図、図６は図５に示す電磁波放射装置のシリコン層の裏面を示す図である。

図５に示す電磁波放射装置は、サファイア基板１０１と、サファイア基板１０１に張り付けされ、イオン打ち込みされたシリコン層１０２と、ＭｇＯで作られた半球レンズ１０３と、シリコン層１０２の裏面のパターンに導通を取るためのボンディングワイヤ１０４と、フェムト秒パルスレーザ１０５と、電源１０６と、フェムト秒パルスレーザ光をコリメートするための光学系１０７と、テラヘルツ電磁波をコリメートするためのパラボラ型反射ミラー１０８とを備える。

また、サファイア基板１０１の裏面には図６に示すように、イオン打ち込みされたシリコン層１０２があり、その表面にアルミ配線により微小ギャップ１１１付きのダイポールアンテナペア１０９が形成されている。

点線で示す円１１０は、サファイア基板１０１の表面側に設置された半球レンズ１０３とダイポールアンテナペア１０９の微小ギャップ１１１との位置関係を示す線である。ダイポールアンテナペア１０９にはボンディングワイヤ１０４により導通を取り、電源１０６より電圧を印加する。

フェムト秒パルスレーザ１０５から発生したフェムト秒パルス光は、コリメート光学系１０７によりダイポールアンテナペア１０９の微小ギャップ１１１に照射される。光照射でシリコン層１０２に発生したキャリアは印加電界により移動するため、ダイポールアンテナペア１０９に変位電流を発生させる。この変位電流は、立ち上がりが照射されるフェムト秒レーザのパルス幅に一致し、テラヘルツ帯の周波数成分を含んでいる。

したがって、ダイポールアンテナペア１０９はテラヘルツ波放射器として機能し、サファイア基板１０１の方向にテラヘルツ波を照射する。サファイア基板１０１を通過したテラヘルツ波は半球レンズ１０３で放射角θが狭められ、パラボラ型反射ミラー１０８方向に放射される。そしてパラボラ型反射ミラー１０８で放射方向が９０度曲げられ、かつ平行ビームにコリメートされる。
High-brightness terahertz beams characterized with an ultrafast detector,Martin van Exter,CH.Fattinger,and D.Grischkowsky,Applied Physics Letters,Vol.55(4),24 july 1989.

図５に示す電磁波放射装置では、コリメートしたテラヘルツビームの方向を変えるためには、以下の（１），（２）のいずれかを行う必要がある。

（１）コリメート光学系１０７からパラボラ型反射ミラー１０８までを一体化して可動ステージに搭載し、これを動かす。

（２）出力ビームを平行に保ちながらビームがステアリングできるような複雑な動きを可能とする角度調整機能をパラボラ型反射ミラー１０８に持たせる。

しかし、いずれも複雑な光学系を組む必要があるという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、簡素な構造で、電磁波を所望の方向に向けて放射できる電磁波放射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯の範囲の波長帯域の電磁波のうちで少なくとも１つの波長の電磁波を放射する電磁波放射装置において、光ビート信号を発生する光ビート信号発生手段と、前記光ビート信号をｎチャンネルに分岐する光分岐手段と、この光分岐手段により分岐されるｎチャンネルの前記光ビート信号の遅延量をそれぞれ独立に調整して出力する光遅延手段と、この光遅延手段からの前記光ビート信号を受けて電磁波を放射する電磁波放射素子がアレイ状にｎ素子配置された電磁波放射源と、前記光遅延手段から出力されるｎチャンネルの前記光ビート信号の遅延量を制御することにより前記電磁波放射素子が放射する電磁波の位相をそれぞれ制御し、これにより前記電磁波放射源が放射する電磁波の方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記電磁波放射素子は、前記光ビート信号を受けて高周波電流を発生する光電変換手段と、この光電変換手段で発生した高周波電流に応じた電磁波を２次的に空中に放射する平面アンテナとを備えたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記平面アンテナは、前記光電変換手段に照射される前記光ビート信号の進行方向と同一方向に電磁波を放射することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯の範囲の波長帯域の電磁波のうちで少なくとも１つの波長の電磁波を放射する電磁波放射装置において、電磁波を放射する電磁波放射素子をアレイ状に配置した電磁波放射源と、前記複数の電磁波放射素子が放射する電磁波の位相をそれぞれ制御することにより前記電磁波放射源が放射する電磁波の方向を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電磁波を放射する複数の電磁波放射素子をアレイ状に配置し、それぞれの電磁波放射素子が放射する電磁波の位相を調整することにより電磁波放射源が放射する電磁波の方向を制御するので、簡素な構造で、電磁波を所望の方向に向けて放射できる電磁波放射装置を提供することができる。

以下、本発明の電磁波放射装置を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の電磁波放射装置を示す構成図である。

図１に示すように本実施の形態の電磁波放射装置は、光電変換によりテラヘルツ波が発生するような光ビート信号を発生する光ビート信号発生部１と、光ビート信号発生部１から入力される光ビート信号をｎチャンネルに分岐する光分岐部２と、ｎ個の移相器３１〜３ｎを有し、光分岐部２から入力されるｎチャンネルの光ビート信号の遅延量をそれぞれ独立に調整する光遅延回路３と、ｎチャンネルの２次元光ファイバアレイ４と、２次元光ファイバアレイ４から出射されるｎチャンネルの光ビート信号をコリメートするコリメートレンズ５と、アレイ状にテラヘルツ波放射素子がｎ素子配置されたテラヘルツ波放射源６と、中央に穴があり裏面からの光がテラヘルツ波放射源６に照射されるようになっている放射源マウンタ７と、テラヘルツ波放射源６のｎ個のテラヘルツ波放射素子にバイアス電圧を印加するための電源８と、光遅延回路３を制御しテラヘルツ波放射源６から放射されるテラヘルツ波の方向を制御する制御部９とを備える。なお、以下ではｎ＝９とする。

図２は図１に示す電磁波放射装置のテラヘルツ波放射源を示す構成図である。図２に示すようにテラヘルツ波放射源６は、ＩｎＰ基板６１と、ＩｎＰ基板６１上に形成された低誘電体層６２と、低誘電体層６２上にパッチアンテナ６３１〜６３９を３行×３列に並べて形成されたパッチアンテナアレイ６３と、低誘電体層６２の下層に存在する給電素子へ直流電圧を供給する電極パッド６４とを備える。

図３はパッチアンテナの下層にある給電素子を示す図、図４は給電素子の回路図である。パッチアンテナ６３１〜６３９の給電素子はすべて同様の構成であるので、パッチアンテナ６３１の給電素子を例に図示している。図３及び図４に示すように給電素子６９は、ＩｎＰ基板６１上に形成されたグラウンド電極６５と、ＩｎＰ基板６１上に形成され、光ビート信号を受けて相応の周波数で振動する高周波電流を発生する裏面光入射型の単一走行キャリアフォトダイオード６６と、単一走行キャリアフォトダイオード６６で発生した高周波電流を伝える伝送線路６７と、伝送線路６７を伝わってきた高周波電流を低誘電体層６２を貫通させてパッチアンテナ６３１に伝えるビアホール６８とを備える。

この構造は、半絶縁性ＩｎＰ基板６１上にエピタキシャル成長させた化合物半導体ヘテロ接合構造に対して、通常のフォトリソグラフィ、エッチング、メタルリフトオフなどを施すことで作製可能である。一例として、パッチアンテナ６３１を２４０ミクロン×２４０ミクロンとすれば、パッチアンテナ６３１は３００ＧＨｚ付近に共振周波数を持つ。

ここで、本実施の形態の電磁波放射装置の動作を説明する。まず、光ビート信号発生部１は、光電変換によりテラヘルツ波が発生するような光ビート信号を発生し、光分岐部２に出力する。

次いで、光分岐部２は、光ビート信号発生部１から入力された光ビート信号を９チャンネルに分岐し、光遅延回路３の移相器３１〜３９にそれぞれ出力する。

その後、移相器３１〜３９は、制御部９からの制御指示に基づいて、光分岐部２から入力された光ビート信号の遅延量をそれぞれ独立に調整した後、３×３の２次元光ファイバアレイ４を経由してコリメートレンズ５に光ビート信号を放射する。

そして、コリメートレンズ５は、光ビート信号をコリメートし、テラヘルツ波放射源６に裏面から照射する。ここで、２次元光ファイバアレイ４のそれぞれの光ファイバから出射された光ビート信号は、対角の位置にあるパッチアンテナの給電素子に照射される。

そして、給電素子６９の単一走行キャリアフォトダイオード６６は、光ビート信号を受けて相応の周波数で振動する高周波電流を発生する。この高周波電流は伝送線路６７、ビアホール６８を経由してパッチアンテナ６３１に伝えられる。そして、パッチアンテナ６３１は、高周波電流に応じたテラヘルツ波を２次的に空中に放射する。各パッチアンテナ６３１〜６３９で同様にテラヘルツ波が放射される。

アレイ状に並べられたパッチアンテナ６３１〜６３９からそれぞれ放射されたテラヘルツ波は互いに干渉し合い、特定の方向にのみ強く放射される。そこで、制御部９は、各パッチアンテナ６３１〜６３９を励起する位相を制御することによってその干渉波の放射分布を制御し、テラヘルツ波の放射方向を制御する。

ここで、制御部９は、９つのパッチアンテナ６３１〜６３９から放射されるテラヘルツ波が任意の一方向に絞られて向かうように、移相器３１〜３９で各チャンネルに与える光遅延量を制御する。

このように本実施の形態の電磁波放射装置によれば、パッチアンテナ６３１〜６３９を励起する各光ビート信号の遅延を制御することにより、パッチアンテナアレイ６３から放射されるテラヘルツ波を、放射方向がある特定の方向に定まった収束ビームとして放射させることができるので、テラヘルツ波放射源６を移動させることなく、また可動ミラーなどの複雑な光学系を用いることなくテラヘルツ波を所望の方向に向けて発射できることが可能になる。

また、単一走行キャリアフォトダイオード６６と低誘電体層６２を挟んで相対する位置に設置されたパッチアンテナ６３１によりテラヘルツ波を放射するので、単一走行キャリアフォトダイオード６６を照射する光ビート信号の進行方向とパッチアンテナ６３１から放射されるテラヘルツ波の放射方向が同一方向となり、放射テラヘルツ波が、単一走行キャリアフォトダイオード６６への光ビート信号集光用のコリメートレンズ５と干渉することがなく、自由に放射テラヘルツ波の出射方向を調整することが可能となる。

また、パッチアンテナ６３１〜６３９をアレイ状に配置したので、アレイ化によるパワー合成で得られるパワーを稼ぐことができる。

なお、光遅延回路３としては、レンズと可動反射プリズムを組み合わせた空間型光遅延回路でも実現可能であるし、ファイバ統合型の光位相変調器を用いても実現できる。

また、本実施の形態では、放射する電磁波の周波数は３００ＧＨｚに限るものではなく、ミリ波帯からテラヘルツ帯の範囲のいずれの周波数の電磁波を用いてもかまわない。また、パッチアンテナアレイ６３を形成するアンテナの配列も３行３列に限るものではなく、何行何列でもよい。また、アンテナの形状もパッチアンテナに限るものではなく、ダイポール、ログペリなど他の形状でもよい。

本発明の実施の形態の電磁波放射装置を示す構成図である。図１に示す電磁波放射装置のテラヘルツ波放射源を示す構成図である。パッチアンテナの下層にある給電素子を示す図である。給電素子の回路図である。従来の電磁波放射装置を示す構成図である。図５に示す電磁波放射装置のシリコン層の裏面を示す図である。

符号の説明

１光ビート信号発生部
２光分岐部
３光遅延回路
４２次元光ファイバアレイ
５コリメートレンズ
６テラヘルツ波放射源
７放射源マウンタ
８電源
９制御部
３１〜３９移相器
６１ＩｎＰ基板
６２低誘電体層
６３パッチアンテナアレイ
６３１〜６３９パッチアンテナ
６４電極パッド
６５グラウンド電極
６６単一走行キャリアフォトダイオード
６７伝送線路
６８ビアホール

Claims

ミリ波帯からテラヘルツ波帯の範囲の波長帯域の電磁波のうちで少なくとも１つの波長の電磁波を放射する電磁波放射装置において、
光ビート信号を発生する光ビート信号発生手段と、
前記光ビート信号をｎチャンネルに分岐する光分岐手段と、
この光分岐手段により分岐されるｎチャンネルの前記光ビート信号の遅延量をそれぞれ独立に調整して出力する光遅延手段と、
この光遅延手段からの前記光ビート信号を受けて電磁波を放射する電磁波放射素子がアレイ状にｎ素子配置された電磁波放射源と、
前記光遅延手段から出力されるｎチャンネルの前記光ビート信号の遅延量を制御することにより前記電磁波放射素子が放射する電磁波の位相をそれぞれ制御し、これにより前記電磁波放射源が放射する電磁波の方向を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする電磁波放射装置。
前記電磁波放射素子は、
前記光ビート信号を受けて高周波電流を発生する光電変換手段と、
この光電変換手段で発生した高周波電流に応じた電磁波を２次的に空中に放射する平面アンテナと
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電磁波放射装置。
前記平面アンテナは、前記光電変換手段に照射される前記光ビート信号の進行方向と同一方向に電磁波を放射することを特徴とする請求項２に記載の電磁波放射装置。
ミリ波帯からテラヘルツ波帯の範囲の波長帯域の電磁波のうちで少なくとも１つの波長の電磁波を放射する電磁波放射装置において、
電磁波を放射する電磁波放射素子をアレイ状に配置した電磁波放射源と、
前記複数の電磁波放射素子が放射する電磁波の位相をそれぞれ制御することにより前記電磁波放射源が放射する電磁波の方向を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする電磁波放射装置。