JP4077331B2 - 光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置及び方法に係り、半導体表面上を高速移動する光パルスが誘起した自由キャリア（プラズマ）により電磁波を反射し、反射された電磁波の位相変化に基づき周波数を変換（増倍）する周波数変換装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、周波数が３ＴＨｚ以下の電磁波領域において、入力波の周波数を増加・変換させる方法として、バラクターダイオードや各種トランジスタ等の半導体素子が持つ電気的な非線形性を利用し、素子を共振器内に組み込み逓倍する方式が用いられてきた（非特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、従来、非特許文献３には、静止プラズマの境界面が高速移動する場合の反射および透過波の理論的解析について記載されている。非特許文献４には、静止した誘電体の境界面だけが高速移動する場合の反射および透過波の理論的解析について記載されている。非特許文献５には、同軸ケーブルに可変容量ダイオードを装荷し、電圧パルスを走らせることで、等価的な移動境界面を生成し、入射波の透過周波数変化を測定し、ドップラー効果による周波数変化が生じるようにして高速移動する電磁界のドップラー周波数遷移について記載されている。非特許文献６には、高圧で充電されたコンデンサを装荷した線路において、レーザー光をトリガーとして放電させ、等価的なプラズマ境界面を生成し、そのとき発生する電磁波がマイクロ波帯となることを調べた実験について記載されている。
【０００４】
【非特許文献１】
E.Schlecht, G.Chattopadhyay, A.Maestrini, A.Fung, S.Martin, D.Pukala, J.Burston and I.Mehdi, "200, 400 and 800 GHz Schottky Diode "Substrateless" Multipliers: Design and Results"2001 MMT-S International Microwave Symposium Digest, vol.3, pp. 1649-1652, 2001.
【非特許文献２】
X.Melique, A.Maestrini, R.Farre, P.Mounaix, M.Favreau, O.Vanbesien, J-M.Goutoule, F.Mollot, G.Beaudin, T.Narhi, D.Lippens, "Fabrication and Performance of InP-based Heterostructure Barrier Varactors in a 250-GHz Waveguide Tripler"Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.48, no.6, pp. 1000-1006, Jun 2000.
【非特許文献３】
M.Lampe, et al., “Submillimeter-Wave Production by Upshifted Reflection from a Moving Ionization Front”, Year 1977
【非特許文献４】
C.S.Tsai and B.A.Auld, "Wave Interaction with Moving Boundaries", 1967
【非特許文献５】
伊藤洋、早田潔、“高速移動する電磁界のドップラー周波数遷移”， １９７９
【非特許文献６】
J.R.Hoffman, et al., "High power radiation from ionization fronts in a static electric field in a waveguide", 2001
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方式には、以下の課題がある。
１）周波数変換率（周波数増倍率）を増加させると急激に変換効率が下がるため、実用的な変換倍率は、最大でも５倍かそれ以下に制限される。
２）１００ＧＨｚを越える短ミリ波以上の周波数帯では、素子特性の劣化と、精密でかつ微小な共振器製作が困難となり、その出力が大幅に減少し、実用的でなくなる。
３）インピーダンス整合用共振器を用いるため、その同調範囲が限定される。
４）固体素子の最大許容入力パワーが制限されているため、大きな出力が得られない。
【０００６】
以上の理由により、３００ＧＨｚを越えるサブミリ波帯においては、従来技術による逓倍器では、２倍波でも変換効率２０％程度かそれ以下、また出力も１０ｍＷ以下であるのが現状である。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、例えば、従来のように、バラクター等の非線形特性を持つ固体素子を使用せず、インピーダンス整合用共振器等の複雑な共振器構造も必要とせずに、高周波伝送線路上におけるドップラー効果を利用してマイクロ波もしくはミリ波からテラヘルツ波という幅広い周波数範囲で動作可能とした周波数変換装置及び方法を提供することを目的とする。また、本発明は、周波数変換率（周波数増倍率）を光遅延回路および高周波伝送線路の構造の調整により、光および入出力波の伝搬速度を変えることで容易に調整可能とすることを目的とする。
【０００８】
さらに、本発明は、以下のような課題を達成することを目的とする。
１）１００ＧＨｚ以上の短ミリ波・サブミリ波およびテラヘルツ波帯のコヒーレントな電磁波発生を可能にする。
２）１０倍を越える高い周波数変換率を、広帯域、高効率で容易に達成する。
３）入力周波数を変えることで、１００％にも及ぶ広い範囲での連続的な周波数可変出力を得る。これは、共振器構造を持つ従来方式では達成不可能である。
４）１Ｗを越える高出力パワーを、短ミリ波・サブミリ波帯の高い周波数領域でも達成可能とする。これは、本発明の最大許容動作パワーが固体素子の低い許容入力パワーではなく、高周波伝送線路の高い放電破壊電圧により決定されるためである。この結果、大きなパワーを持つ入力波が利用可能となる。
５）回路製作および設計を容易とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
光励起表面プラズマが励起され、入力波を伝播するための基板と、
前記基板に形成され、第１及び第２の側を有する高周波伝送線路と、
レーザー光に伝播時間差を与え、前記基板に対して該レーザー光を照射するための光遅延回路と、
を備え、
前記高周波伝送線路の第１又は第２の側から入力波を入力し、第２の側で反射させ、
レーザー光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を前記高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が前記光遅延回路を介して前記基板に表面プラズマを光誘起することで前記高周波伝送線路を短絡して、前記高周波伝送線路の第２の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が前記高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置が提供される。
【００１０】
本発明の第２の解決手段によると、
光励起表面プラズマが励起され、入力波を伝播するための基板と、
前記基板に形成され、第１及び第２の側を有する高周波伝送線路と、
レーザー光に伝播時間差を与え、前記基板に対して該レーザー光を照射するための光遅延回路と、
を備え、
前記高周波伝送線路の第２の側から入力波を入力し、
レーザー光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を前記高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が前記光遅延回路を介して前記基板に表面プラズマを光誘起することで前記高周波伝送線路を短絡して、入力波を表面プラズマにより反射し、この反射点が前記高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置が提供される。
【００１１】
本発明の第３の解決手段によると、
基板に形成された高周波伝送線路の第１の側から入力波を入力し、第２の側で反射させ、
レーザー光を光遅延回路に入射し、光遅延回路により高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が光遅延回路を介して基板に表面プラズマを光誘起することで高周波伝送線路を短絡して、高周波伝送線路の第２の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法が提供される。
【００１２】
本発明の第４の解決手段によると、
基板に形成された高周波伝送線路の第２の側から入力波を入力し、
レーザー光を光遅延回路に入射し、光遅延回路により高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が光遅延回路を介して基板に表面プラズマを光誘起することで高周波伝送線路を短絡して、入力波を表面プラズマにより反射し、この反射点が高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
１．第１の実施の形態
１−１．構成
図１に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第１の実施の形態の構成図を示す。
本実施の形態による周波数変換装置は、入力部１、高周波伝送線路２、基板３、レーザー光源４、光遅延回路５、出力部６を備える。
【００１４】
入力部１は、入力波を高周波伝送線路２に入力する。また、入力部１は、例えば、サーキュレータ等の周波数弁別回路を有する。高周波伝送線路２は、基板３に形成され、入力波及び出力波を伝送する。高周波伝送線路２は、例えば、コプレーナ線路やスロット線路、そして導波管回路等を有する。例えば、高周波伝送線路２は、少なくとも２本のラインを基板３に蒸着することで形成することができる。基板３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、またはインジュウム系等の半導体基板、絶縁性の高い半導体基板を用いてもよい。なお、本実施の形態では、一例として、基板３としてシリコン半導体基板を、高周波伝送線路２には、比較的周波数特性の平坦なコプレーナ・ストリップ線路を用いている。また、高周波伝送線路２（例、ストリップ線路）は、整合性を良くするために出力部６（例、導波管）への整合部（例、変換用テーパー）を備えることができる。レーザー光源４は、Ｔｉ：Ｓａｐｈｉｒｅレーザー等の適宜のレーザーを用いる。出力部６は、入出力分波回路（周波数弁別型分岐回路）として、例えば、導波管等の各種フィルター回路を有する。また、出力部６は、この導波管のカットオフ周波数ｆｃｕｔｏｆｆを、入力波の最大周波数より大きく設定することで、入力波を全反射させ、出力波のみを取り出すことができる。
【００１５】
光遅延回路５は、レーザー光を遅延させて高周波伝送線路２及び基板３に入射する。また、この実施の形態では、光遅延回路５は、石英中での光の速度の低下を利用している。光遅延回路５は、三角形状の石英中を伝播するレーザー光の光路長の長短により、高周波伝送線路２の線路方向の位置によってレーザー光の基板３への到達時間差が生じる。そのため、基板３上に励起された表面プラズマが、入力部１から出力部６方向へ高速に移動する。高周波伝送線路２上の光励起プラズマの等価的な進行速度ｖｏｐｔは、光励起プラズマと電磁波の相互作用長Ｌｉｎｔ、石英部の最大長Ｌｄｅｌａｙとすると、次式で与えられる。
【００１６】
【数３】
【００１７】
ここで、ｃは光速、ｎは誘電体の屈折率である。これより、高周波伝送線路２における入力波及び出力波の伝搬速度ｖｉｎ及びｖｏｕｔ、相互作用長Ｌｉｎｔが決定されれば、必要な周波数変換率（周波数増倍率）Ｇに合わせて光遅延回路５を設計できる。また、周波数変換率Ｇについては後述する。ここで、レーザー光源４により光遅延回路５にレーザー光を垂直に入射させるため、その入射面には光の波長より長い平坦部を設ける。光の波長が入射波及び反射波の波長より十分短いため、光波面の不連続は、無視できる。
なお、各部分に関しては、上述に限定されず、他の各種の回路構成が可能である。
【００１８】
１−２．動作
図２に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図を示す。この回路は、高周波伝送線路２、光導波路２１を備える。また、光導波路２１の伝送線路上での長さ、つまり光励起プラズマの発生する長さ（相互作用長）をＬｉｎｔ、フィルターまでの長さをＬｔ、ｖｏｐｔはプラズマの励起速度である。ここで、入力波の伝搬速度ｖｉｎは常にｖｏｐｔより大きいこととする。図において、入力部１により入力波を左側より入射させ、出力部６の導波管部または、高周波伝送線路２のコプレーナ・ストリップ線路の端部で反射させる。この時、レーザー光源４によりレーザー光を入射すると、光導波路２１中を伝搬するレーザー光が半導体基板の表面に電子−正孔プラズマを誘起することで高周波伝送線路２を短絡し、入力波（マイクロ波あるいはミリ波）を反射する。この反射点がレーザー光と共に高速で動くことでドップラー効果と同じ原理に基づき周波数変換（アップコンバージョン）を行う。そして、出力部６は、反射された出力波を出力する。
【００１９】
本実施の形態における周波数変換率Ｇは、光励起プラズマの移動速度つまり光パルスの遅延速度ｖｏｐｔと入力波及び出力波の高周波伝送線路２を伝搬する速度、ｖｉｎ及びｖｏｕｔにより、次式で決定される。また、その理論エネルギー変換効率ξは、動作原理より１／Ｇとなる。
【００２０】
【数４】
【００２１】
以下に、入力波、レーザー光、出力波の各パルスのタイミングについて説明する。
図３に、入力がパルス波の場合のタイミングチャートの図を示す。
入力パルス幅ｔｉｎの入力パルスは、高周波伝送線路２の左側から入力する。入力パルスは、高周波伝送線路２を右側から向かって伝送速度ｖｉｎで伝わり、出力部６で反射されて高周波伝送線路２を左側に向かって伝送速度ｖｉｎで進行する。ここで、入力パルスが図２中光導波路２１の左先端に丁度合ったときにそこにプラズマを励起する場合、レーザーパルスのタイミング時間は、ｔａ＝２Ｌｔ／ｖｉｎとなる。このとき、光導波路２１上にプラズマが発生し、このプラズマは、入力パルスを反射しつつ高周波伝送線路２を右方向に進行する。反射された出力波は、伝送速度ｖｏｕｔの出力波で高周波伝送線路２を伝送し、レーザーパルスのタイミング時間から出射時間ｔｂ＝Ｌｔ／ｖｏｕｔ後に出力部６から出力パルスとして出力される。ここで、パルス幅ｔｏｕｔは、ｔｏｕｔ＝（Ｌｉｎ ｔ／ｖｏｐｔ）×（１−ｖｏｐｔ／ｖｏｕｔ）またはｔｉｎ×（１−ｖｏｐｔ／ｖｏｕｔ）／（１＋ｖｏｐｔ／ｖｉｎ）のうち短い方となる。
【００２２】
出力パルスが出力された後に、再び入力パルスを入力すると繰り返しに出力パルスを得ることができる。入力パルスとレーザーパルスの周期は、ｔｐｅｒｉｏｄ＞ｔａ＋ｔｂ＋ｔｏｕｔの条件を満たすこととして、この周期ｔｐｅｒｉｏｄで出力パルスが出力される。なお、半導体内での光励起キャリアの緩和時間は無視して出している。厳密には、この緩和時間分を上記周期に足すことができる。
【００２３】
つぎに、入力が連続波である場合について説明する。
図４に、入力が連続波の場合のタイミングチャートの図を示す。
この場合、入力波は、高周波伝送線路２を左側から右方向に伝送速度ｖｉｎで伝わり、出力部６で反射されて高周波伝送線路２を左方向に伝送速度ｖｉｎで進行する。ここで、任意の時間にレーザー光源４によりレーザーパルスが光導波路２１に入射すると、高周波伝送線路２上にプラズマが発生し、このプラズマは、入力波を反射する。反射された出力波は、伝送速度ｖｏｕｔの出力パルスとなって、高周波伝送線路２を伝送し、レーザーパルスのタイミング時間からｔｂ＝Ｌｔ／ｖｏｕｔ後に出力部６から出力される。ここで、出力パルス幅ｔｏｕｔは、ｔｏｕｔ＝（Ｌｉｎｔ／ｖｏｐｔ）×（１−ｖｏｐｔ／ｖｏｕｔ）である。なお、出力パルスに対応する入力の等価的なパルス幅は、ｔｉｎ＝ｔｏｕｔ（１＋ｖｏｐｔ／ｖｉｎ）／（１−ｖｏｐｔ／ｖｏｕｔ）で与えられる。レーザーパルスの周期は、ｔｐｅｒｉｏｄ＞ｔｂ＋ｔｏｕｔの条件を満たすことして、この周期ｔｐｅｒｉｏｄで出力波が出力される。
【００２４】
２．第２の実施の形態
２−１．構成
図５に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第２の実施の形態の構成図を示す。この実施の形態は、入力部１による入力波の給電点が出力部６の出力フィルター側にある例を示す。他の各部の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００２５】
この周波数変換装置は、入力部１、高周波伝送線路２、基板３、レーザー光源４、光遅延回路５、出力部６を備える。この実施の形態では、一例として、入力部１の入力波の給電に、最も簡単かつ一般的な同軸線路を用いるが、この他にも、マイクロストリップ線路や、導波管を用いたものも可能である。また、入力波を供給するための構成は、給電位置や形状も考慮すると、その組み合わせは数多くあり、適宜構成することができる。この構成は、使用する周波数およびその範囲、そして出力の使用用途によって選択される。
【００２６】
入力部１から与えられる入力波は、高周波伝送線路２のコプレーナ・ストリップ線路に同軸線路にて給電される。この入力波は、出力部６のフィルター部（導波管型高域通過フィルター）又は高周波伝送線路２のコプレーナ・ストリップ線路の端部で全反射（又は略全反射）されるため、光遅波回路５側へ伝搬される。この伝搬電力を最大にするように、出力部６の出力フィルターと入力部１の同軸線路の間の距離（給電点位置）を調整する。また、同軸線路とコプレーナ・ストリップ線路間の接続線は、出力周波数ｆｏｕｔが入力周波数ｆｉｎより高いことを利用し、出力周波数ｆｏｕｔに対し、十分大きなインピーダンスを持つようにその長さを調整する。このようにして、出力電力が入力部１の入力用同軸線路側へ流れることを防ぎ、その大部分を出力部６の出力フィルター側に伝送させることが出来る。
【００２７】
なお、第２の実施の形態では、効率よく入力電力を回路に送り込むためには、出力部６の出力フィルターから入力部１の入力波の給電位置までの距離を入力周波数ｆｉｎに合わせて調整する必要がある。このため、位置を固定した回路では、その動作周波数範囲が制限される場合がある。これに対し、第１の実施の形態（給電位置が左側にあるもの）では、この様な制限がないため、より広帯域動作が可能となる。
【００２８】
２−２．動作
図６に、第２の実施の形態での光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図を示す。
この図では、図２での入力波を高周波伝送線路２の右側から入射した場合であり、高周波伝送線路２、光導波路２１については同様である。入力波は、入力部１により高周波伝送線路２の右側より入力する。この時、レーザー光源４によりレーザー光を入射すると、光導波路２１中を伝搬するレーザー光が半導体基板の表面に電子−正孔プラズマを誘起することで高周波伝送線路２を短絡し、入力波（マイクロ波あるいはミリ波）を反射する。この反射点がレーザー光と共に高速で動くことでドップラー効果と同じ原理に基づき周波数変換（アップコンバージョン）を行う。そして、出力部６は、反射された出力波を出力する。なお、出力部６の周波数弁別用分波回路（周波数フィルター）は、例えば、共振器構造ではなく、単に入出力の周波数差を利用して経路分けを行うものを用いることができる。周波数変換率Ｇは、第１の実施の形態で説明したものと同様である。また、タイミングチャートについては、入力部１からの入力波が高周波伝送線路２の右側から入力するので、第１の実施の形態のタイミング時間ｔａは、タイミング時間ｔａ’＝Ｌｔ／ｖｉｎとなる。
【００２９】
３．第３の実施の形態
第１及び第２の実施の形態では、入射波のほぼ連続的な反射を取り扱った。しかし、本発明の動作原理から、光励起プラズマによる反射点が不連続に移動しても、周波数変換動作が可能である。
【００３０】
図７に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第３の実施の形態の構成図を示す。この実施の形態は、光遅延回路５に光ファイバーを用いたものである。
【００３１】
この周波数変換装置は、入力部１、高周波伝送線路２、基板３、レーザー光源４、光遅延回路５０、出力部６を備える。光遅延回路５０以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。また、この実施の形態では、コプレーナ・ストリップの線間に、光遅延回路５０として光ファイバーを設置し、それを隣り合う光ファイバー断面の中心間での間隔をｄで配列している。なお、隣り合う光ファイバーの間隔はなくてもよい。ここで、隣り合う光ファイバー間の時間遅延をｔｄｅｌａｙとすると、ｎ番目の光ファイバーの時間遅延は、ｎ×ｔｄｅｌａｙとなる。光ファイバーの長さを調整し、隣り合う光ファイバー間の遅延時間ｔｄｅｌａｙを変えることで、実効的な光プラズマの移動速度ｖｏｐｔを比較的自由に決定できる。また、この場合の、高周波伝送線路２上を伝播する光プラズマの移動速度ｖｏｐｔは、以下の式で決定できる。
ｖｏｐｔ＝ｄ／ｔｄｅｌａｙ （３）
【００３２】
この構成の利点は、光遅延回路５０を比較的小型にかつ自由度高く設計できる点にある。また、この構成では、出力波の周波数ｆｏｕｔは、入力波の周波数ｆｉｎの単純な周波数変換率Ｇ倍となる周波数成分の他に、波形の不連続から生じる高調波成分を含む。しかし、隣り合う光ファイバーの間隔ｄを、高周波伝送線路２中における入力波の１波長に相当する距離の１／４以下に設定することで、その成分を大幅に減少されることができる。
【００３３】
また、本実施の形態においても、第２の実施の形態のように、入力部１を高周波伝送線路２の右側に配置するなど適宜に回路を構成することができる。なお、動作は、入力部１の配置が高周波伝送線路２の左側である場合、第１の実施の形態と同様であり、高周波伝送線路２の右側である場合、第２の実施の形態と同様である。
【００３４】
４．周波数変換式
以下に、式（２）の導出について説明する。
図８に、入力波が速度ｖｏｐｔで運動するプラズマ境界で反射される様子を表す図を示す。
式（２）は、ドップラー効果による周波数変換式をより一般化して表したものであり、式の導出自体は、通常のものと全く同じである。図に示すように、入力波が、速度ｖｏｐｔで運動するプラズマ境界で反射される。このとき、入力波および出力波の境界面での位相変化は同じでなければならないという原理（the principle of phase equality）がある（C. S. Tsai and B. A. Auld, "Wave Interaction with Moving Boundaries", J. Appl. Phys., vol. 38, no. 5, pp. 2106-2115,1967.参照）。
【００３５】
このことから、次式が成り立つ。
ωｉｎ＋ｋｉｎｖｏｐｔ＝ωｏｕｔ−ｋｏｕｔｖｏｐｔ （４）
ここで、ωは周波数、ｋは伝搬定数をそれぞれ表す。式（４）を変形して次式を得る。添字のｉｎ、ｏｕｔは、それぞれ入力波及び出力波を示す。
【００３６】
【数５】
【００３７】
ここで、ｖｉｎ＝ωｉｎ／ｋｉｎ、ｖｏｕｔ＝ωｏｕｔ／ｋｏｕｔの関係を使って、式（２）が導かれる。
なお、参考までに、波が伝搬する媒質を均一で周波数特性がないものとしてｖｉｎ＝ｖｏｕｔであるとき、波の伝搬媒質が自由空間（ｖｉｎ＝ｖｏｕｔ＝ｃ，ｃ：光速）の場合は、以下のようになる。
【００３８】
【数６】
【００３９】
５．実例
図９に、出力周波数ｆｏｕｔとパワー反射率Ｒについての計算結果を表す図を示す。図９（ａ）は、周波数変換率Ｇ＝１０とした場合を、図９（ｂ）は、周波数変換率Ｇ＝２０とした場合をそれぞれ表す。パラメータは、レーザー光で誘起されたシリコン板中のプラズマ（キャリア）密度ｎＰである。計算条件は、以下の通りである。
・入力波周波数ｆｉｎ；
１０ＧＨｚ〜５０ＧＨｚ
・出力波周波数ｆｏｕｔ；
１００ＧＨｚ〜５００ＧＨｚ （周波数変換率Ｇ＝１０）
２００ＧＨｚ〜１０００ＧＨｚ （周波数変換率Ｇ＝２０）
・レーザー；
Ｔｉ：Ｓａｐｈｉｒｅ レーザーシステム
波長 ５３２ ｎｍ
最大出力エネルギー １ｍＪ
パルス幅 ２ｐｓｅｃ
・高周波伝送線路２；
種類 コプレーナ・ストリップ線路
線路インピーダンス １００Ω
線間距離 ２０μｍ
伝搬速度 ｃ／２．５（一定と仮定）
相互作用距離 Ｌｉｎｔ ３０ｍｍ
【００４０】
この計算では、解析の容易さから、高周波伝送線路２での入力波及び出力波の伝搬速度を計算の全範囲で一定と仮定している。実際には、周波数が５００ＧＨｚを越えると、伝搬速度が低下し、結果として周波数変換率Ｇが大きくなるが、この計算では、その効果は無視している。また、同様の理由で高周波伝送線路２における伝搬損失は無いものとして計算した。この結果から、キャリア密度１０２１ｃｍ−３（１ｍＪのパルスエネルギーに相当）という比較的低密度の半導体プラズマを用いて、１ＴＨｚの電磁波をパワー反射率Ｒ＝８０％以上で得られることが分かる。もし、１０Ｗのパワーを持つ入力波を用いたとすると、出力パワーとして８Ｗが得られる。この値は、従来の固体装置では達成不可能な値である。
【００４１】
入力波及び出力波のパルス幅の変換を考慮した全体のエネルギー変換効率ξは、パワー反射率Ｒの１／Ｇ、すなわち、Ｒ／Ｇとなる。従って、図９（ａ）の結果において、周波数変換率Ｇ＝１０、出力周波数ｆｏｕｔ＝５００ＧＨｚ、パワー反射率Ｒ＝９０％は、エネルギー変換効率ξ＝９％に、また、図９（ｂ）の結果において、周波数変換率Ｇ＝２０、出力周波数ｆｏｕｔ＝１０００ＧＨｚ、パワー反射率Ｒ＝８５％は、エネルギー変換効率ξ＝４．２％に相当する。高い周波数変換率Ｇを考えた時、これらのエネルギー変換効率ξの値は、十分高い値である。この様に、本実施の形態による周波数変換装置及び方法は、高出力・高周波発生に有用である。このことから、従来クライストロン等の電子管でしか得られなかった高出力パルス発生が可能となり、固体装置だけでの小型ミリ波帯レーダーシステム等への応用を可能にする。
【００４２】
本実施の形態では、光励起プラズマ自体は静止し、その境界面だけが運動することと想定される。この場合、反射体が実際に運動する場合とは異なり、反射波振幅の増幅は起こらない。従って、理想的な条件下で、パワー変換効率ηpが１、エネルギー変換効率ξは、反射波のパルス幅圧縮効果により、１／Ｇになる。また、周波数変換時のエネルギー変換効率ξの低下は、動作周波数自体には依存しない。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によると、以上のように、例えば、従来のように、バラクター等の非線形特性を持つ固体素子を使用せず、インピーダンス整合容共振器等の複雑な共振器構造も必要とせずに、高周波伝送線路上におけるドップラー効果を利用してマイクロ波もしくはミリ波からテラヘルツ波という幅広い周波数範囲で動作可能とした周波数変換装置及び方法を提供することができる。また、本発明によると、周波数変換（周波数増倍率）を光遅延回路および高周波伝送線路の構造の調整により、光および入出力波の伝搬速度を変えることで容易に調整可能とすることができる。
【００４４】
さらに、本発明によると、以下のような効果を奏することができる。
１）１００ＧＨｚ以上の短ミリ波・サブミリ波およびテラヘルツ波帯のコヒーレントな電磁波発生が可能となる。
２）１０倍を越える高い周波数変換率を、広帯域、高効率で容易に達成できる。
３）入力周波数を変えることで、１００％にも及ぶ広い範囲での連続的な周波数可変出力を得ることができる。これは、共振器構造を持つ従来方式では達成不可能である。
４）１Ｗを越える高出力パワーを、短ミリ波・サブミリ波帯の高い周波数領域でも達成可能となる。これは、本発明の最大許容動作パワーが固体素子の低い許容入力パワーではなく、高周波伝送線路の高い放電破壊電圧により決定されるためである。この結果、大きなパワーを持つ入力波が利用可能となる。
５）回路製作および設計を容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第１の実施の形態の構成図。
【図２】光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図。
【図３】入力がパルス波の場合のタイミングチャートの図。
【図４】入力が連続波の場合のタイミングチャートの図。
【図５】光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第２の実施の形態の構成図。
【図６】第２の実施の形態での光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図。
【図７】光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第３の実施の形態の構成図。
【図８】入力波が速度ｖｏｐｔで運動するプラズマ境界で反射される様子を表す図。
【図９】出力周波数ｆｏｕｔとパワー反射率Ｒについての計算結果を表す図。
【符号の説明】
１ 入力部
２ 高周波伝送線路
３ 基板
４ レーザー光源
５ 光遅延回路
６ 出力部
２１ 光導波路
５０ 光遅延回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置及び方法に係り、半導体表面上を高速移動する光パルスが誘起した自由キャリア（プラズマ）により電磁波を反射し、反射された電磁波の位相変化に基づき周波数を変換（増倍）する周波数変換装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、周波数が３ＴＨｚ以下の電磁波領域において、入力波の周波数を増加・変換させる方法として、バラクターダイオードや各種トランジスタ等の半導体素子が持つ電気的な非線形性を利用し、素子を共振器内に組み込み逓倍する方式が用いられてきた（非特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、従来、非特許文献３には、静止プラズマの境界面が高速移動する場合の反射および透過波の理論的解析について記載されている。非特許文献４には、静止した誘電体の境界面だけが高速移動する場合の反射および透過波の理論的解析について記載されている。非特許文献５には、同軸ケーブルに可変容量ダイオードを装荷し、電圧パルスを走らせることで、等価的な移動境界面を生成し、入射波の透過周波数変化を測定し、ドップラー効果による周波数変化が生じるようにして高速移動する電磁界のドップラー周波数遷移について記載されている。非特許文献６には、高圧で充電されたコンデンサを装荷した線路において、レーザー光をトリガーとして放電させ、等価的なプラズマ境界面を生成し、そのとき発生する電磁波がマイクロ波帯となることを調べた実験について記載されている。
【０００４】
【非特許文献１】
E.Schlecht, G.Chattopadhyay, A.Maestrini, A.Fung, S.Martin, D.Pukala, J.Burston and I.Mehdi, "200, 400 and 800 GHz Schottky Diode "Substrateless" Multipliers: Design and Results"2001 MMT-S International Microwave Symposium Digest, vol.3, pp. 1649-1652, 2001.
【非特許文献２】
X.Melique, A.Maestrini, R.Farre, P.Mounaix, M.Favreau, O.Vanbesien, J-M.Goutoule, F.Mollot, G.Beaudin, T.Narhi, D.Lippens, "Fabrication and Performance of InP-based Heterostructure Barrier Varactors in a 250-GHz Waveguide Tripler"Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, vol.48, no.6, pp. 1000-1006, Jun 2000.
【非特許文献３】
M.Lampe, et al., “Submillimeter-Wave Production by Upshifted Reflection from a Moving Ionization Front”, Year 1977
【非特許文献４】
C.S.Tsai and B.A.Auld, "Wave Interaction with Moving Boundaries", 1967
【非特許文献５】
伊藤洋、早田潔、“高速移動する電磁界のドップラー周波数遷移”， １９７９
【非特許文献６】
J.R.Hoffman, et al., "High power radiation from ionization fronts in a static electric field in a waveguide", 2001
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方式には、以下の課題がある。
１）周波数変換率（周波数増倍率）を増加させると急激に変換効率が下がるため、実用的な変換倍率は、最大でも５倍かそれ以下に制限される。
２）１００ＧＨｚを越える短ミリ波以上の周波数帯では、素子特性の劣化と、精密でかつ微小な共振器製作が困難となり、その出力が大幅に減少し、実用的でなくなる。
３）インピーダンス整合用共振器を用いるため、その同調範囲が限定される。
４）固体素子の最大許容入力パワーが制限されているため、大きな出力が得られない。
【０００６】
以上の理由により、３００ＧＨｚを越えるサブミリ波帯においては、従来技術による逓倍器では、２倍波でも変換効率２０％程度かそれ以下、また出力も１０ｍＷ以下であるのが現状である。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑み、例えば、従来のように、バラクター等の非線形特性を持つ固体素子を使用せず、インピーダンス整合用共振器等の複雑な共振器構造も必要とせずに、高周波伝送線路上におけるドップラー効果を利用してマイクロ波もしくはミリ波からテラヘルツ波という幅広い周波数範囲で動作可能とした周波数変換装置及び方法を提供することを目的とする。また、本発明は、周波数変換率（周波数増倍率）を光遅延回路および高周波伝送線路の構造の調整により、光および入出力波の伝搬速度を変えることで容易に調整可能とすることを目的とする。
【０００８】
さらに、本発明は、以下のような課題を達成することを目的とする。
１）１００ＧＨｚ以上の短ミリ波・サブミリ波およびテラヘルツ波帯のコヒーレントな電磁波発生を可能にする。
２）１０倍を越える高い周波数変換率を、広帯域、高効率で容易に達成する。
３）入力周波数を変えることで、１００％にも及ぶ広い範囲での連続的な周波数可変出力を得る。これは、共振器構造を持つ従来方式では達成不可能である。
４）１Ｗを越える高出力パワーを、短ミリ波・サブミリ波帯の高い周波数領域でも達成可能とする。これは、本発明の最大許容動作パワーが固体素子の低い許容入力パワーではなく、高周波伝送線路の高い放電破壊電圧により決定されるためである。この結果、大きなパワーを持つ入力波が利用可能となる。
５）回路製作および設計を容易とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
光励起表面プラズマが励起され、入力波を伝播するための基板と、
前記基板に形成され、第１及び第２の側を有する高周波伝送線路と、
レーザー光に伝播時間差を与え、前記基板に対して該レーザー光を照射するための光遅延回路と、
を備え、
前記高周波伝送線路の第１又は第２の側から入力波を入力し、第２の側で反射させ、
レーザー光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を前記高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が前記光遅延回路を介して前記基板に表面プラズマを光誘起することで前記高周波伝送線路を短絡して、前記高周波伝送線路の第２の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が前記高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置が提供される。
【００１０】
本発明の第２の解決手段によると、
光励起表面プラズマが励起され、入力波を伝播するための基板と、
前記基板に形成され、第１及び第２の側を有する高周波伝送線路と、
レーザー光に伝播時間差を与え、前記基板に対して該レーザー光を照射するための光遅延回路と、
を備え、
前記高周波伝送線路の第２の側から入力波を入力し、
レーザー光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を前記高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が前記光遅延回路を介して前記基板に表面プラズマを光誘起することで前記高周波伝送線路を短絡して、入力波を表面プラズマにより反射し、この反射点が前記高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置が提供される。
【００１１】
本発明の第３の解決手段によると、
基板に形成された高周波伝送線路の第１の側から入力波を入力し、第２の側で反射させ、
レーザー光を光遅延回路に入射し、光遅延回路により高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が光遅延回路を介して基板に表面プラズマを光誘起することで高周波伝送線路を短絡して、高周波伝送線路の第２の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法が提供される。
【００１２】
本発明の第４の解決手段によると、
基板に形成された高周波伝送線路の第２の側から入力波を入力し、
レーザー光を光遅延回路に入射し、光遅延回路により高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が光遅延回路を介して基板に表面プラズマを光誘起することで高周波伝送線路を短絡して、入力波を表面プラズマにより反射し、この反射点が高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
１．第１の実施の形態
１−１．構成
図１に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第１の実施の形態の構成図を示す。
本実施の形態による周波数変換装置は、入力部１、高周波伝送線路２、基板３、レーザー光源４、光遅延回路５、出力部６を備える。
【００１４】
入力部１は、入力波を高周波伝送線路２に入力する。また、入力部１は、例えば、サーキュレータ等の周波数弁別回路を有する。高周波伝送線路２は、基板３に形成され、入力波及び出力波を伝送する。高周波伝送線路２は、例えば、コプレーナ線路やスロット線路、そして導波管回路等を有する。例えば、高周波伝送線路２は、少なくとも２本のラインを基板３に蒸着することで形成することができる。基板３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、またはインジュウム系等の半導体基板、絶縁性の高い半導体基板を用いてもよい。なお、本実施の形態では、一例として、基板３としてシリコン半導体基板を、高周波伝送線路２には、比較的周波数特性の平坦なコプレーナ・ストリップ線路を用いている。また、高周波伝送線路２（例、ストリップ線路）は、整合性を良くするために出力部６（例、導波管）への整合部（例、変換用テーパー）を備えることができる。レーザー光源４は、Ｔｉ：Ｓａｐｈｉｒｅレーザー等の適宜のレーザーを用いる。出力部６は、入出力分波回路（周波数弁別型分岐回路）として、例えば、導波管等の各種フィルター回路を有する。また、出力部６は、この導波管のカットオフ周波数ｆｃｕｔｏｆｆを、入力波の最大周波数より大きく設定することで、入力波を全反射させ、出力波のみを取り出すことができる。
【００１５】
光遅延回路５は、レーザー光を遅延させて高周波伝送線路２及び基板３に入射する。また、この実施の形態では、光遅延回路５は、石英中での光の速度の低下を利用している。光遅延回路５は、三角形状の石英中を伝播するレーザー光の光路長の長短により、高周波伝送線路２の線路方向の位置によってレーザー光の基板３への到達時間差が生じる。そのため、基板３上に励起された表面プラズマが、入力部１から出力部６方向へ高速に移動する。高周波伝送線路２上の光励起プラズマの等価的な進行速度ｖｏｐｔは、光励起プラズマと電磁波の相互作用長Ｌｉｎｔ、石英部の最大長Ｌｄｅｌａｙとすると、次式で与えられる。
【００１６】
【数３】
ここで、ｃは光速、ｎは誘電体の屈折率である。これより、高周波伝送線路２における入力波及び出力波の伝搬速度ｖｉｎ及びｖｏｕｔ、相互作用長Ｌｉｎｔが決定されれば、必要な周波数変換率（周波数増倍率）Ｇに合わせて光遅延回路５を設計できる。また、周波数変換率Ｇについては後述する。ここで、レーザー光源４により光遅延回路５にレーザー光を垂直に入射させるため、その入射面には光の波長より長い平坦部を設ける。光の波長が入射波及び反射波の波長より十分短いため、光波面の不連続は、無視できる。
なお、各部分に関しては、上述に限定されず、他の各種の回路構成が可能である。
【００１８】
１−２．動作
図２に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図を示す。この回路は、高周波伝送線路２、光導波路２１を備える。また、光導波路２１の伝送線路上での長さ、つまり光励起プラズマの発生する長さ（相互作用長）をＬｉｎｔ、フィルターまでの長さをＬｔ、ｖｏｐｔはプラズマの励起速度である。ここで、入力波の伝搬速度ｖｉｎは常にｖｏｐｔより大きいこととする。図において、入力部１により入力波を左側より入射させ、出力部６の導波管部または、高周波伝送線路２のコプレーナ・ストリップ線路の端部で反射させる。この時、レーザー光源４によりレーザー光を入射すると、光導波路２１中を伝搬するレーザー光が半導体基板の表面に電子−正孔プラズマを誘起することで高周波伝送線路２を短絡し、入力波（マイクロ波あるいはミリ波）を反射する。この反射点がレーザー光と共に高速で動くことでドップラー効果と同じ原理に基づき周波数変換（アップコンバージョン）を行う。そして、出力部６は、反射された出力波を出力する。
【００１９】
本実施の形態における周波数変換率Ｇは、光励起プラズマの移動速度つまり光パルスの遅延速度ｖｏｐｔと入力波及び出力波の高周波伝送線路２を伝搬する速度、ｖｉｎ及びｖｏｕｔにより、次式で決定される。また、その理論エネルギー変換効率ξは、動作原理より１／Ｇとなる。
【００２０】
【数４】
以下に、入力波、レーザー光、出力波の各パルスのタイミングについて説明する。
図３に、入力がパルス波の場合のタイミングチャートの図を示す。
入力パルス幅ｔｉｎの入力パルスは、高周波伝送線路２の左側から入力する。入力パルスは、高周波伝送線路２を右側から向かって伝送速度ｖｉｎで伝わり、出力部６で反射されて高周波伝送線路２を左側に向かって伝送速度ｖｉｎで進行する。ここで、入力パルスが図２中光導波路２１の左先端に丁度合ったときにそこにプラズマを励起する場合、レーザーパルスのタイミング時間は、ｔａ＝２Ｌｔ／ｖｉｎとなる。このとき、光導波路２１上にプラズマが発生し、このプラズマは、入力パルスを反射しつつ高周波伝送線路２を右方向に進行する。反射された出力波は、伝送速度ｖｏｕｔの出力波で高周波伝送線路２を伝送し、レーザーパルスのタイミング時間から出射時間ｔｂ＝Ｌｔ／ｖｏｕｔ後に出力部６から出力パルスとして出力される。ここで、パルス幅ｔｏｕｔは、ｔｏｕｔ＝（Ｌｉｎ ｔ／ｖｏｐｔ）×（１−ｖｏｐｔ／ｖｏｕｔ）またはｔｉｎ×（１−ｖｏｐｔ／ｖｏｕｔ）／（１＋ｖｏｐｔ／ｖｉｎ）のうち短い方となる。
【００２２】
出力パルスが出力された後に、再び入力パルスを入力すると繰り返しに出力パルスを得ることができる。入力パルスとレーザーパルスの周期は、ｔｐｅｒｉｏｄ＞ｔａ＋ｔｂ＋ｔｏｕｔの条件を満たすこととして、この周期ｔｐｅｒｉｏｄで出力パルスが出力される。なお、半導体内での光励起キャリアの緩和時間は無視して出している。厳密には、この緩和時間分を上記周期に足すことができる。
【００２３】
つぎに、入力が連続波である場合について説明する。
図４に、入力が連続波の場合のタイミングチャートの図を示す。
この場合、入力波は、高周波伝送線路２を左側から右方向に伝送速度ｖｉｎで伝わり、出力部６で反射されて高周波伝送線路２を左方向に伝送速度ｖｉｎで進行する。ここで、任意の時間にレーザー光源４によりレーザーパルスが光導波路２１に入射すると、高周波伝送線路２上にプラズマが発生し、このプラズマは、入力波を反射する。反射された出力波は、伝送速度ｖｏｕｔの出力パルスとなって、高周波伝送線路２を伝送し、レーザーパルスのタイミング時間からｔｂ＝Ｌｔ／ｖｏｕｔ後に出力部６から出力される。ここで、出力パルス幅ｔｏｕｔは、ｔｏｕｔ＝（Ｌｉｎｔ／ｖｏｐｔ）×（１−ｖｏｐｔ／ｖｏｕｔ）である。なお、出力パルスに対応する入力の等価的なパルス幅は、ｔｉｎ＝ｔｏｕｔ（１＋ｖｏｐｔ／ｖｉｎ）／（１−ｖｏｐｔ／ｖｏｕｔ）で与えられる。レーザーパルスの周期は、ｔｐｅｒｉｏｄ＞ｔｂ＋ｔｏｕｔの条件を満たすことして、この周期ｔｐｅｒｉｏｄで出力波が出力される。
【００２４】
２．第２の実施の形態
２−１．構成
図５に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第２の実施の形態の構成図を示す。この実施の形態は、入力部１による入力波の給電点が出力部６の出力フィルター側にある例を示す。他の各部の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００２５】
この周波数変換装置は、入力部１、高周波伝送線路２、基板３、レーザー光源４、光遅延回路５、出力部６を備える。この実施の形態では、一例として、入力部１の入力波の給電に、最も簡単かつ一般的な同軸線路を用いるが、この他にも、マイクロストリップ線路や、導波管を用いたものも可能である。また、入力波を供給するための構成は、給電位置や形状も考慮すると、その組み合わせは数多くあり、適宜構成することができる。この構成は、使用する周波数およびその範囲、そして出力の使用用途によって選択される。
【００２６】
入力部１から与えられる入力波は、高周波伝送線路２のコプレーナ・ストリップ線路に同軸線路にて給電される。この入力波は、出力部６のフィルター部（導波管型高域通過フィルター）又は高周波伝送線路２のコプレーナ・ストリップ線路の端部で全反射（又は略全反射）されるため、光遅波回路５側へ伝搬される。この伝搬電力を最大にするように、出力部６の出力フィルターと入力部１の同軸線路の間の距離（給電点位置）を調整する。また、同軸線路とコプレーナ・ストリップ線路間の接続線は、出力周波数ｆｏｕｔが入力周波数ｆｉｎより高いことを利用し、出力周波数ｆｏｕｔに対し、十分大きなインピーダンスを持つようにその長さを調整する。このようにして、出力電力が入力部１の入力用同軸線路側へ流れることを防ぎ、その大部分を出力部６の出力フィルター側に伝送させることが出来る。
【００２７】
なお、第２の実施の形態では、効率よく入力電力を回路に送り込むためには、出力部６の出力フィルターから入力部１の入力波の給電位置までの距離を入力周波数ｆｉｎに合わせて調整する必要がある。このため、位置を固定した回路では、その動作周波数範囲が制限される場合がある。これに対し、第１の実施の形態（給電位置が左側にあるもの）では、この様な制限がないため、より広帯域動作が可能となる。
【００２８】
２−２．動作
図６に、第２の実施の形態での光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図を示す。
この図では、図２での入力波を高周波伝送線路２の右側から入射した場合であり、高周波伝送線路２、光導波路２１については同様である。入力波は、入力部１により高周波伝送線路２の右側より入力する。この時、レーザー光源４によりレーザー光を入射すると、光導波路２１中を伝搬するレーザー光が半導体基板の表面に電子−正孔プラズマを誘起することで高周波伝送線路２を短絡し、入力波（マイクロ波あるいはミリ波）を反射する。この反射点がレーザー光と共に高速で動くことでドップラー効果と同じ原理に基づき周波数変換（アップコンバージョン）を行う。そして、出力部６は、反射された出力波を出力する。なお、出力部６の周波数弁別用分波回路（周波数フィルター）は、例えば、共振器構造ではなく、単に入出力の周波数差を利用して経路分けを行うものを用いることができる。周波数変換率Ｇは、第１の実施の形態で説明したものと同様である。また、タイミングチャートについては、入力部１からの入力波が高周波伝送線路２の右側から入力するので、第１の実施の形態のタイミング時間ｔａは、タイミング時間ｔａ’＝Ｌｔ／ｖｉｎとなる。
【００２９】
３．第３の実施の形態
第１及び第２の実施の形態では、入射波のほぼ連続的な反射を取り扱った。しかし、本発明の動作原理から、光励起プラズマによる反射点が不連続に移動しても、周波数変換動作が可能である。
【００３０】
図７に、光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第３の実施の形態の構成図を示す。この実施の形態は、光遅延回路５に光ファイバーを用いたものである。
【００３１】
この周波数変換装置は、入力部１、高周波伝送線路２、基板３、レーザー光源４、光遅延回路５０、出力部６を備える。光遅延回路５０以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。また、この実施の形態では、コプレーナ・ストリップの線間に、光遅延回路５０として光ファイバーを設置し、それを隣り合う光ファイバー断面の中心間での間隔をｄで配列している。なお、隣り合う光ファイバーの間隔はなくてもよい。ここで、隣り合う光ファイバー間の時間遅延をｔｄｅｌａｙとすると、ｎ番目の光ファイバーの時間遅延は、ｎ×ｔｄｅｌａｙとなる。光ファイバーの長さを調整し、隣り合う光ファイバー間の遅延時間ｔｄｅｌａｙを変えることで、実効的な光プラズマの移動速度ｖｏｐｔを比較的自由に決定できる。また、この場合の、高周波伝送線路２上を伝播する光プラズマの移動速度ｖｏｐｔは、以下の式で決定できる。
ｖｏｐｔ＝ｄ／ｔｄｅｌａｙ （３）
【００３２】
この構成の利点は、光遅延回路５０を比較的小型にかつ自由度高く設計できる点にある。また、この構成では、出力波の周波数ｆｏｕｔは、入力波の周波数ｆｉｎの単純な周波数変換率Ｇ倍となる周波数成分の他に、波形の不連続から生じる高調波成分を含む。しかし、隣り合う光ファイバーの間隔ｄを、高周波伝送線路２中における入力波の１波長に相当する距離の１／４以下に設定することで、その成分を大幅に減少されることができる。
【００３３】
また、本実施の形態においても、第２の実施の形態のように、入力部１を高周波伝送線路２の右側に配置するなど適宜に回路を構成することができる。なお、動作は、入力部１の配置が高周波伝送線路２の左側である場合、第１の実施の形態と同様であり、高周波伝送線路２の右側である場合、第２の実施の形態と同様である。
【００３４】
４．周波数変換式
以下に、式（２）の導出について説明する。
図８に、入力波が速度ｖｏｐｔで運動するプラズマ境界で反射される様子を表す図を示す。
式（２）は、ドップラー効果による周波数変換式をより一般化して表したものであり、式の導出自体は、通常のものと全く同じである。図に示すように、入力波が、速度ｖｏｐｔで運動するプラズマ境界で反射される。このとき、入力波および出力波の境界面での位相変化は同じでなければならないという原理（the principle of phase equality）がある（C. S. Tsai and B. A. Auld, "Wave Interaction with Moving Boundaries", J. Appl. Phys., vol. 38, no. 5, pp. 2106-2115,1967.参照）。
【００３５】
このことから、次式が成り立つ。
ωｉｎ＋ｋｉｎｖｏｐｔ＝ωｏｕｔ−ｋｏｕｔｖｏｐｔ （４）
ここで、ωは周波数、ｋは伝搬定数をそれぞれ表す。式（４）を変形して次式を得る。添字のｉｎ、ｏｕｔは、それぞれ入力波及び出力波を示す。
【００３６】
【数５】
ここで、ｖｉｎ＝ωｉｎ／ｋｉｎ、ｖｏｕｔ＝ωｏｕｔ／ｋｏｕｔの関係を使って、式（２）が導かれる。
なお、参考までに、波が伝搬する媒質を均一で周波数特性がないものとしてｖｉｎ＝ｖｏｕｔであるとき、波の伝搬媒質が自由空間（ｖｉｎ＝ｖｏｕｔ＝ｃ，ｃ：光速）の場合は、以下のようになる。
【００３８】
【数６】
５．実例
図９に、出力周波数ｆｏｕｔとパワー反射率Ｒについての計算結果を表す図を示す。図９（ａ）は、周波数変換率Ｇ＝１０とした場合を、図９（ｂ）は、周波数変換率Ｇ＝２０とした場合をそれぞれ表す。パラメータは、レーザー光で誘起されたシリコン板中のプラズマ（キャリア）密度ｎＰである。計算条件は、以下の通りである。
・入力波周波数ｆｉｎ；
１０ＧＨｚ〜５０ＧＨｚ
・出力波周波数ｆｏｕｔ；
１００ＧＨｚ〜５００ＧＨｚ （周波数変換率Ｇ＝１０）
２００ＧＨｚ〜１０００ＧＨｚ （周波数変換率Ｇ＝２０）
・レーザー；
Ｔｉ：Ｓａｐｈｉｒｅ レーザーシステム
波長 ５３２ ｎｍ
最大出力エネルギー １ｍＪ
パルス幅 ２ｐｓｅｃ
・高周波伝送線路２；
種類 コプレーナ・ストリップ線路
線路インピーダンス １００Ω
線間距離 ２０μｍ
伝搬速度 ｃ／２．５（一定と仮定）
相互作用距離 Ｌｉｎｔ ３０ｍｍ
【００４０】
この計算では、解析の容易さから、高周波伝送線路２での入力波及び出力波の伝搬速度を計算の全範囲で一定と仮定している。実際には、周波数が５００ＧＨｚを越えると、伝搬速度が低下し、結果として周波数変換率Ｇが大きくなるが、この計算では、その効果は無視している。また、同様の理由で高周波伝送線路２における伝搬損失は無いものとして計算した。この結果から、キャリア密度１０２１ｃｍ−３（１ｍＪのパルスエネルギーに相当）という比較的低密度の半導体プラズマを用いて、１ＴＨｚの電磁波をパワー反射率Ｒ＝８０％以上で得られることが分かる。もし、１０Ｗのパワーを持つ入力波を用いたとすると、出力パワーとして８Ｗが得られる。この値は、従来の固体装置では達成不可能な値である。
【００４１】
入力波及び出力波のパルス幅の変換を考慮した全体のエネルギー変換効率ξは、パワー反射率Ｒの１／Ｇ、すなわち、Ｒ／Ｇとなる。従って、図９（ａ）の結果において、周波数変換率Ｇ＝１０、出力周波数ｆｏｕｔ＝５００ＧＨｚ、パワー反射率Ｒ＝９０％は、エネルギー変換効率ξ＝９％に、また、図９（ｂ）の結果において、周波数変換率Ｇ＝２０、出力周波数ｆｏｕｔ＝１０００ＧＨｚ、パワー反射率Ｒ＝８５％は、エネルギー変換効率ξ＝４．２％に相当する。高い周波数変換率Ｇを考えた時、これらのエネルギー変換効率ξの値は、十分高い値である。この様に、本実施の形態による周波数変換装置及び方法は、高出力・高周波発生に有用である。このことから、従来クライストロン等の電子管でしか得られなかった高出力パルス発生が可能となり、固体装置だけでの小型ミリ波帯レーダーシステム等への応用を可能にする。
【００４２】
本実施の形態では、光励起プラズマ自体は静止し、その境界面だけが運動することと想定される。この場合、反射体が実際に運動する場合とは異なり、反射波振幅の増幅は起こらない。従って、理想的な条件下で、パワー変換効率ηpが１、エネルギー変換効率ξは、反射波のパルス幅圧縮効果により、１／Ｇになる。また、周波数変換時のエネルギー変換効率ξの低下は、動作周波数自体には依存しない。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によると、以上のように、例えば、従来のように、バラクター等の非線形特性を持つ固体素子を使用せず、インピーダンス整合容共振器等の複雑な共振器構造も必要とせずに、高周波伝送線路上におけるドップラー効果を利用してマイクロ波もしくはミリ波からテラヘルツ波という幅広い周波数範囲で動作可能とした周波数変換装置及び方法を提供することができる。また、本発明によると、周波数変換（周波数増倍率）を光遅延回路および高周波伝送線路の構造の調整により、光および入出力波の伝搬速度を変えることで容易に調整可能とすることができる。
【００４４】
さらに、本発明によると、以下のような効果を奏することができる。
１）１００ＧＨｚ以上の短ミリ波・サブミリ波およびテラヘルツ波帯のコヒーレントな電磁波発生が可能となる。
２）１０倍を越える高い周波数変換率を、広帯域、高効率で容易に達成できる。
３）入力周波数を変えることで、１００％にも及ぶ広い範囲での連続的な周波数可変出力を得ることができる。これは、共振器構造を持つ従来方式では達成不可能である。
４）１Ｗを越える高出力パワーを、短ミリ波・サブミリ波帯の高い周波数領域でも達成可能となる。これは、本発明の最大許容動作パワーが固体素子の低い許容入力パワーではなく、高周波伝送線路の高い放電破壊電圧により決定されるためである。この結果、大きなパワーを持つ入力波が利用可能となる。
５）回路製作および設計を容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第１の実施の形態の構成図。
【図２】光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図。
【図３】入力がパルス波の場合のタイミングチャートの図。
【図４】入力が連続波の場合のタイミングチャートの図。
【図５】光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第２の実施の形態の構成図。
【図６】第２の実施の形態での光励起表面プラズマを用いた周波数変換方式の原理図。
【図７】光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置の第３の実施の形態の構成図。
【図８】入力波が速度ｖｏｐｔで運動するプラズマ境界で反射される様子を表す図。
【図９】出力周波数ｆｏｕｔとパワー反射率Ｒについての計算結果を表す図。
【符号の説明】
１ 入力部
２ 高周波伝送線路
３ 基板
４ レーザー光源
５ 光遅延回路
６ 出力部
２１ 光導波路
５０ 光遅延回路
Claims (13)
- 光励起表面プラズマが励起され、入力波を伝播するための基板と、
前記基板に形成され、第１及び第２の側を有する高周波伝送線路と、
レーザー光に伝播時間差を与え、前記基板に対して該レーザー光を照射するための光遅延回路と、
を備え、
前記高周波伝送線路の第１又は第２の側から入力波を入力し、第２の側で反射させ、
レーザー光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を前記高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が前記光遅延回路を介して前記基板に表面プラズマを光誘起することで前記高周波伝送線路を短絡して、前記高周波伝送線路の第２の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が前記高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。 - 光励起表面プラズマが励起され、入力波を伝播するための基板と、
前記基板に形成され、第１及び第２の側を有する高周波伝送線路と、
レーザー光に伝播時間差を与え、前記基板に対して該レーザー光を照射するための光遅延回路と、
を備え、
前記高周波伝送線路の第２の側から入力波を入力し、
レーザー光を前記光遅延回路に入射し、前記光遅延回路により前記高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を前記高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が前記光遅延回路を介して前記基板に表面プラズマを光誘起することで前記高周波伝送線路を短絡して、入力波を表面プラズマにより反射し、この反射点が前記高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、前記高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。 - カットオフ周波数を入力波の最大周波数より大きく設定することで、入力波を反射させ、出力波を透過する出力部をさらに備えた請求項１又は２に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。
- 周波数変換率又は周波数増倍率Ｇは、光励起プラズマの移動速度ｖｏｐｔと入射波及び反射波の前記高周波伝送線路を伝搬する速度ｖｉｎ及びｖｏｕｔにより、次式で決定される請求項１又は２に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。
- 前記光遅延回路は、三角形状の石英を含み、レーザー光の伝播距離が、前記高周波伝送線路の第１の側で短く第２の側で長くなるように配置され、
レーザー光を前記基板に対して垂直に前記光遅延回路に入射させ、石英中での光速度の低下の差を利用して光励起プラズマを移動するようにした
請求項１又は２に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。 - 前記光遅延回路のレーザー光の入射面に、レーザー光の入射方向と垂直に、レーザー光の波長より長い平坦部を階段形状に複数設けたことを特徴とする請求項５に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。
- 前記光遅延回路は、前記高周波伝送線路の線間に、所定間隔で配列した複数の光ファイバーを含み、レーザー光の伝播距離が、前記高周波伝送線路の第１の側で短く第２の側で長くなるように配置され、
レーザー光を前記光遅延回路に入射させ、複数の光ファイバー中での光速度の低下の差を利用して光励起プラズマを移動するようにした
請求項１又は２に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。 - 前記高周波伝送線路は、コプレーナ線路又はスロット線路により構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換装置。
- 基板に形成された高周波伝送線路の第１の側から入力波を入力し、第２の側で反射させ、
レーザー光を光遅延回路に入射し、光遅延回路により高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が光遅延回路を介して基板に表面プラズマを光誘起することで高周波伝送線路を短絡して、高周波伝送線路の第２の側で反射された入力波を表面プラズマによりさらに反射し、この反射点が高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。 - 基板に形成された高周波伝送線路の第２の側から入力波を入力し、
レーザー光を光遅延回路に入射し、光遅延回路により高周波伝送線路の線路方向の位置に応じて伝播時間差を生じてレーザー光を高周波伝送線路に到達するようにし、
レーザー光が光遅延回路を介して基板に表面プラズマを光誘起することで高周波伝送線路を短絡して、入力波を表面プラズマにより反射し、この反射点が高周波伝送線路の第２の側に移動することでドップラー効果の原理により入力波の周波数変換を行い、
周波数変換された出力波を、高周波伝送線路の第２の側から出力する、
光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。 - カットオフ周波数を入力波の最大周波数より大きく設定することで、入力波を反射させ、出力波を透過するようにした請求項９又は１０に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。
- 周波数変換率又は周波数増倍率Ｇは、光励起プラズマの移動速度ｖｏｐｔと入射波及び反射波の高周波伝送線路を伝搬する速度ｖｉｎ及びｖｏｕｔにより、次式で決定されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。
- 前記光遅延回路によりレーザー光の伝播距離が、高周波伝送線路の第１の側で短く第２の側で長くなるようにして、レーザー光の光遅延回路による光速度の低下の差を利用して光励起プラズマを移動するようにした請求項９又は１０に記載の光励起表面プラズマを用いた周波数変換方法。
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