JP2011228572A - テラヘルツ電磁波発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光伝導膜を有していても放射利得等のアンテナ性能を向上する。
【解決手段】 金属板３３の上に第１基板３１と第２基板３２とが横方向に配列されて設けられている。第１基板の表面に光伝導層３０が形成されており、第２基板の表面に第１エレメント３４ａ、第２エレメント３４ｂからなるダイポールアンテナ３４が形成されている。ダイポールアンテナ３４の給電点から引き出された第１ライン３５ａおよび第２ライン３５ｂは、第２基板３２の表面から第１基板３１の光伝導層３０上に形成されており、第１ライン３５ａの中途が切断されてバイアス電源Ｅｃが印加されている。第１ライン３５ａの端部と第２ライン３５ｂの端部とが対向する対向部３５ｃにパルス状の光を照射することにより、ダイポールアンテナ３４からテラヘルツ電磁波が放射される。
【選択図】 図１５

Description

この発明は、テラヘルツ電磁波を効率的に発生することのできるテラヘルツ電磁波発生装置に関する。

テラヘルツ電磁波は周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０μｍ〜３０００μｍ）の電磁波とされており、波長が赤外〜遠赤外領域とほぼ一致する。テラヘルツ電磁波は、「光」と「ミリ波」に挟まれた周波数領域に存在しているため、テラヘルツ電磁波は、光と同様に高い空間分解能でものを見分ける能力と、ミリ波と同様の物質を透過する能力を併せ持っている。テラヘルツ波帯はこれまで未開拓電磁波であったが、この周波数帯の電磁波の特徴を生かした時間領域分光、イメージング及びトモグラフィーによる材料のキャラクタリゼーション、環境計測、生物や医学への応用などが検討されてきている。テラヘルツ電磁波の発生は、物質透過性と直進性を兼ね備えるためＸ線に替わる安全かつ革新的なイメージングや数１００Ｇｂｐｓ級の超高速無線通信が可能となる。特に半導体製作による光伝導アンテナは、製作が容易でテラヘルツ時間領域分光法などで既に多くの実績を有している。

従来のテラヘルツ電磁波発生装置とされる光伝導アンテナ１００の一構成例を図１７に示す。
図１７に示す光伝導アンテナ１００は、ＧａＡｓ（Gallium Arsenide）基板とされる第１基板１１１の一面に光伝導膜１１０とされる低温成長ＧａＡｓ膜を形成し、光伝導膜１１０の上に平行伝送線路からなる導電性の第１ライン１１２ａおよび第２ライン１１２ｂを蒸着等により形成している。ＧａＡｓは、Ｇａ（ガリウム）とＡｓ（砒素）の化合物からなる化合物半導体である。第１ライン１１２ａおよび第２ライン１１２ｂのほぼ中央には、対向部１１２ｃで対向する導電性の第１エレメント１１３ａおよび第２エレメント１１３ｂが形成されている。対向部１１２ｃの間隔は、例えば数μｍ程度とされる。このような構成の光伝導アンテナ１００において、第１ライン１１２ａと第２ライン１１２ｂとの間に直流のバイアス電圧Ｅｃを印加する。この状態では、第１ライン１１２ａと第２ライン１１２ｂとの間は対向部１１２ｃにより絶縁されているため電流は流れない。そこで、光源１１４から１０^-15秒程度のフェムト秒パルスレーザ光を対向部１１２ｃに照射する。パルスレーザ光を対向部１１２ｃに照射すると、対向部１１２ｃにおける光伝導膜１１０中に光導電効果により自由キャリアが生じ、この自由キャリアがバイアス電圧Ｅｃにより加速されることにより、第１エレメント１１３ａおよび第２エレメント１１３ｂを介して第１ライン１１２ａと第２ライン１１２ｂ間にサブピコ秒（１０^-12秒）程度のパルス状の電流が流れる。このパルス状の電流によって第１エレメント１１３ａおよび第２エレメント１１３ｂが励振されて、テラヘルツ電磁波が第１エレメント１１３ａおよび第２エレメント１１３ｂから放射される。なお、第１エレメント１１３ａおよび第２エレメント１１３ｂはダイポールアンテナ１１３として作用する。

特開２００６−３１３８０３号公報

図１７に示す従来の光伝導アンテナ１００では、テラヘルツ電磁波は光伝導膜１１０および第１基板１１１を介してｚ軸方向に放射される。そこで、従来の光伝導アンテナ１００におけるｙ−ｚ面（Ｅ面）とｘ−ｚ面（Ｈ面）の放射指向特性を図１８に示す。図１８を参照すると、ｙ−ｚ面（Ｅ面）の放射指向特性においては、約±１６°方向の放射界が高くされているが、ｚ軸方向とされる０°方向（正面方向）のメインビームの放射界は小さくなっている。さらに、±１８０°方向にはほぼ放射されない。また、ｘ−ｚ面（Ｈ面）の放射指向特性においては、ｚ軸方向とされる０°方向（正面方向）にメインビームが放射され，メインビームの両側とされる約±３０°方向にサイドローブが放射されている。この場合のメインビームおよびサイドローブの最大放射界はほぼ同様とされているが、ｙ−ｚ面（Ｅ面）の最大放射界より小さくなっている。また、±１８０°方向にはほぼ放射されない。

このように、従来の光伝導アンテナ１００においては正面方向の放射利得が低下している。この原因は、低温成長ＧａＡｓを材料とする光伝導膜１１０の比誘電率εｒが約１３の高誘電率とされて、光伝導膜１１０で損失を受けていること、および、第１基板１１および光伝導膜１１０の境界面において反射していることが原因と考えられる。しかしながら、光伝導膜１１０の材料としては、光源１１４からレーザ光が照射された際に生じる自由電子のキャリア寿命が短いと共にキャリア移動度が大きい材料とする必要があり、このような材料の比誘電率は、一般的に高いことが知られている。すると、光伝導膜を有することが必須の構成要件とされる光伝導アンテナでは、放射利得等のアンテナ性能を向上することができないという問題点があった。
そこで、本発明は、光伝導膜を有していてもアンテナ性能を向上することができるテラヘルツ電磁波発生装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のテラヘルツ電磁波発生装置は、金属板と、該金属板上に配置され、光が照射された際に自由電子が生じる比誘電率εｒ１の光伝導層が表面に形成された絶縁性の第１基板と、前記金属板上に前記第１基板の横に隣接して密着するよう配置された比誘電率εｒ２の絶縁性の第２基板と、該第２基板の表面に形成された導電性のダイポール素子と、該ダイポール素子の給電点から引き出され、前記第２基板の表面から前記第１基板における前記光伝導層上にわたって形成された第１ラインおよび第２ラインと、前記光伝導層上に形成されている前記第１ラインと前記第２ラインの端部が所定の間隔で対向している対向部と、該対向部にパルス状の光を照射する光源と、前記第１ラインと前記第２ラインとの間に電源を印加するバイアス電源とを備え、比誘電率εｒ１＞比誘電率εｒ２とされていることを最も主要な特徴としている。

本発明によれば、パルス状の光が照射される光伝導層上に形成されている対向部が、第２基板上に形成されているダイポール素子の給電部として作用するようになり、対向部から給電されたダイポール素子からテラヘルツ電磁波が放射されるようになる。この場合、対向部が形成されている光伝導層は比誘電率が高くされるが、ダイポール素子が形成されている第２基板の比誘電率を低くすることができる。これにより、放射利得等のアンテナ性能を向上することができるテラヘルツ電磁波発生装置とすることができる。

本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第１実施例にかかる光伝導アンテナの構成を一部破断して示す斜視図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第１実施例にかかる光伝導アンテナの構成を断面図で示す側面図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第１実施例にかかる光伝導アンテナのｘ−ｚ面の放射特性を示す図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第１実施例にかかる光伝導アンテナのｙ−ｚ面の放射特性を示す図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる光伝導アンテナの解析モデルの構成を示す斜視図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる光伝導アンテナの解析モデルの構成を示す側面図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる光伝導アンテナの解析モデルの入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる光伝導アンテナの解析モデルの反射損失の周波数特性を示す図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる光伝導アンテナの他の解析モデルの入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる光伝導アンテナの他の解析モデルの反射損失の周波数特性を示す図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる光伝導アンテナの解析モデルのｘ−ｚ面の放射特性を示す図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる光伝導アンテナの解析モデルのｙ−ｚ面の放射特性を示す図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置にかかる光伝導アンテナの解析モデルの高さを変えた際の入力インピーダンス特性を示す図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第２実施例にかかる光伝導アンテナの構成を一部破断して示す斜視図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第３実施例にかかる光伝導アンテナの構成を示す斜視図である。 本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第４実施例にかかる光伝導アンテナの構成を示す斜視図である。 従来の光伝導アンテナの構成を示す斜視図である。 従来の光伝導アンテナのｙ−ｚ面およびｘ−ｚ面の放射特性を示す図である。

本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第１実施例にかかる光伝導アンテナの構成を一部破断して示す斜視図を図１に示し、その光伝導アンテナの構成を断面図で示す側面図を図２に示す。
これらの図に示す第１実施例の光伝導アンテナ１は、絶縁性あるいは半絶縁性の所定厚みの第１基板１１の一面に光伝導層１０が形成され、第１基板１１の他面に金属層１２が蒸着等により形成されている。第１基板１１は、例えばＧａＡｓ（Gallium Arsenide）基板とされ、光伝導層１０の材料は、例えば低温成長ＧａＡｓ（比誘電率εｒ１は約１３）とされ、金属層１２の材料は金、銀、アルミニウムや銅等とされる。ＧａＡｓは、Ｇａ（ガリウム）とＡｓ（砒素）の化合物からなる化合物半導体である。金属層１２の上面には所定厚みの絶縁性の第２基板１３が貼着されて一体化されている。第２基板１３の材料は、例えばフッ素樹脂（比誘電率εｒ２は約３）とされる。この第２基板１３の上面に、第１エレメント１５ａおよび第２エレメント１５ｂからなるダイポールアンテナ１５が蒸着等により形成されている。第１エレメント１５ａと第２エレメント１５ｂとが対向する給電点となる端部から、第１ライン１６ａおよび第２ライン１６ｂがそれぞれ内部に向かってほぼ平行に引き出されて、第２基板１３、金属層１２、第１基板１１および光伝導層１０を貫通して光伝導層１０の外表面上にわたり形成されている。このように、第１ライン１６ａおよび第２ライン１６ｂはＬ字状に屈曲されて形成されている。そして、光伝導層１０上に形成されている第２ライン１６ｂには切欠部１６ｃが形成されている。この場合、金属層１２と第１ライン１６ａおよび第２ライン１６ｂとが短絡しないように、金属層１２にはライン１６ａ、１６ｂの外形寸法より大きな寸法の孔部が形成される。また、切欠部１６ｃの間隔は、例えば数μｍ程度とされると共に、第１ライン１６ａおよび第２ライン１６ｂとでコプレーナラインを形成することができる。第１エレメント１５ａおよび第２エレメント１５ｂからなるダイポールアンテナ１５が形成されている第２基板１３の上面には、レンズ１４が貼着されている。

このような構成の第１実施例の光伝導アンテナ１において、第１ライン１６ａの端部と第２ライン１６ｂの端部との間に直流のバイアス電圧Ｅｃを印加する。この状態では、第２ライン１６ｂは切欠部１６ｃにより絶縁されている。ここで、光源１７から１０^-15秒程度のフェムト秒パルスレーザ光を第２ライン１６ｂにおける切欠部１６ｃに照射する。パルスレーザ光を切欠部１６ｃに照射すると、切欠部１６ｃにおける光伝導層１０中に光導電効果により自由キャリアが生じ、この自由キャリアがバイアス電圧Ｅｃにより加速されることにより、切欠部１６ｃにサブピコ秒（１０^-12秒）程度のパルス状の電流が流れる。このパルス状の電流は第１ライン１６ａおよび第２ライン１６ｂを介して第１エレメント１５ａおよび第２エレメント１５ｂに供給されて、テラヘルツ電磁波が第１エレメント１５ａおよび第２エレメント１５ｂから放射される。このように、切欠部１６ｃが第１エレメント１５ａおよび第２エレメント１５ｂからなるダイポールアンテナ１５の給電部となる。この場合、第２基板１３の下面に配置された金属層１２の作用により、ダイポールアンテナ１５から放射されたテラヘルツ電磁波が反射され、ｚ軸方向に放射されたテラヘルツ電磁波と合成されることによりｚ軸方向へ強く放射される。合成されたテラヘルツ電磁波は、レンズ１４により収束されて放射されるようになる。なお、ダイポールアンテナ１５の電気長は、放射されるテラヘルツ電磁波の波長をλとした際に約λ／２の長さとされる。また、第２基板１３の厚さは約λ／４の電気長に相当する厚さとするのが好適とされる。さらに、レンズ１４は、例えばシリコンレンズとされ、図２に示すようにレンズ１４の上部形状が凸状の膨出部１４ａを備える形状とされて、テラヘルツ電磁波を収束している。なお、レンズ１４を省略しても良い。

第１実施例の光伝導アンテナ１におけるｘ−ｚ面の放射特性を図３に示し、ｙ−ｚ面の放射特性を図４に示す。放射されるテラヘルツ電磁波の周波数は約５００ＧＨｚとされている。ただし、図３および図４に示す放射特性は第２基板１３の誘電体損（tanδ）がないものとした時の放射特性である。
図３を参照すると、光伝導アンテナ１の放射方向とされるｘ−ｚ面の０°方向（ｚ軸方向）にＢ点で示す約５．６ｄＢｉの高い放射利得のビームが放射されている。また、光伝導アンテナ１の下面方向には非常に小さいサイドローブしか放射されていないことが分かる。また、図４を参照すると光伝導アンテナ１の放射方向とされるｙ−ｚ面の０°方向（ｚ軸方向）にＢ点で示す約５．６ｄＢｉの高い放射利得のビームが放射されている。また、光伝導アンテナ１の下面方向にはわずかしか放射されていないことが分かる。このように、本発明の第１実施例の光伝導アンテナ１において、高い放射利得が得られるのは、図１７に示す従来の光伝導アンテナ１００のようにテラヘルツ電磁波が比誘電率が高く損失の多い光伝導膜１１０を透過することなく直接自由空間に放射される構成とされると共に、比誘電率εｒ２が約３と低く損失の少ない第２基板１３を透過して金属層１２で反射された反射波が、直接波にほぼ同相で合成されるからと考えられる。

次に、本発明の第１実施例にかかる光伝導アンテナ１の解析モデルを図５および図６に示す。図５は光伝導アンテナ１の解析モデル１’の構成を示す斜視図であり、図６は光伝導アンテナ１の解析モデル１’の構成を示す側面図である。
本発明の第１実施例にかかる光伝導アンテナ１においては、テラヘルツ電磁波は金属層１２で反射されて金属層１２より下方へは放射されないため、第２基板１３の上面に第１エレメント１５ａおよび第２エレメント１５ｂが形成され、下面に金属層１２が配置された図５，図６に示す構成を解析モデル１’の構成とすることができる。この図５，図６に示す解析モデル１’において、設計周波数ｆを５００ＧＨｚとし、その自由空間の波長をλで表すとλは約０．６ｍｍとなる。そして、解析モデル１’において設計した寸法を波長λを用いて表すと、第２基板１３の長さＬ１と幅Ｌ２とは約１．４１λとされ、第２基板１３の高さＨは約０．１７λとされ、ダイポールアンテナ１５の長さＥＬの電気長は約０．５λとされ、第１エレメント１５ａと第２エレメント１５ｂとが対向する給電点の間隔Ｄは約０．０３λとされる。なお、第２基板１３の比誘電率εｒ２は約３．０とされている。

この寸法条件により時間領域差分法シミュレータによりシミュレーションした解析モデル１’の入力インピーダンスの周波数特性を図７に、反射損失の周波数特性を図８に示す。３００ＧＨｚから５００ＧＨｚまで周波数をスキャンさせた際の入力インピーダンスが図７に示されており、図７を参照すると、入力インピーダンスの実部は周波数が３００ＧＨｚの時に約２０Ωとなり、周波数が高くなるにつれて次第に上昇していき、周波数が３８５ＧＨｚにおいて約４９．６Ωとなり、周波数が５００ＧＨｚにおいては約１７０Ωとなる。また、入力インピーダンスの虚部は周波数が３００ＧＨｚの時に約−１００Ωとなり、周波数が高くなるにつれて次第に上昇していき、周波数が３８５ＧＨｚにおいて約０Ωとなり、その後飽和して下降していき周波数が５００ＧＨｚにおいては約５１Ωとなる。また、３００ＧＨｚから５００ＧＨｚまで周波数をスキャンさせた際の反射損失が図８に示されており、図８を参照すると、反射損失は周波数が３００ＧＨｚの時には約−１ｄＢしか得られていないが、周波数が高くなるにつれて次第に減衰していき、周波数が３８５ＧＨｚにおいて共振して−３０ｄＢ以下の良好な反射損失が得られている。そして、周波数が３８５ＧＨｚを超えていくと共振から外れて減衰量が少なくなっていき、周波数が５００ＧＨｚにおいては約−５ｄＢの減衰量となっている。

上記した寸法では、約３８５ＧＨｚにおいて共振しており、この際に入力インピーダンスの虚部が約０Ωになると共に実部が約４９．６Ωとなって、５０Ωの特性インピーダンスに整合されるようになる。このように、約３８５ＧＨｚにおいて共振するのは第２基板１３が誘電体とされて、その比誘電率εｒ２に基づいて波長が短縮されるからである。比誘電率εｒ２が３．０の場合は、波長短縮率は約７１％になる。そこで、約３８５ＧＨｚにおいて共振している上記した寸法をスケーリングすることにより約５００ＧＨｚに共振するように設計する。すなわち、解析モデル１’における各部の寸法を、３８５／５００＝０．７７倍する。スケーリング後の解析モデル１’の寸法は、第２基板１３の長さＬ１と幅Ｌ２とは約１．０７λ（約０．６４ｍｍ）とされ、第２基板１３の高さＨは約０．１３λ（約０．０７８ｍｍ）とされ、ダイポールアンテナ１５の長さＥＬの電気長は約０．２７λとされる。ただし、第１エレメント１５ａと第２エレメント１５ｂとが対向する給電点の間隔Ｄは共振周波数に影響を与えないことからスケーリングされず約０．０３λ（約０．０１８ｍｍ）とされる。

上記したようにスケーリングした寸法の解析モデル１’における入力インピーダンスの周波数特性を図９に、反射損失の周波数特性を図１０に示す。４００ＧＨｚから６００ＧＨｚまで周波数をスキャンさせた際の入力インピーダンスが図９に示されており、図９を参照すると、入力インピーダンスの実部は周波数が４００ＧＨｚの時に約２０Ωとなり、周波数が高くなるにつれて次第に上昇していき、周波数が５００ＧＨｚにおいて約４７．３Ωとなり、周波数が６００ＧＨｚにおいては約１２３Ωとなる。また、入力インピーダンスの虚部は周波数が４００ＧＨｚの時に約−８５Ωとなり、周波数が高くなるにつれて次第に上昇していき、周波数が５００ＧＨｚにおいて約０Ωとなり、その後飽和するよう上昇していき周波数が６００ＧＨｚにおいては約６２Ωとなる。

また、４００ＧＨｚから６００ＧＨｚまで周波数をスキャンさせた際の反射損失が図１０に示されており、図１０を参照すると、反射損失は周波数が４００ＧＨｚの時には約−１ｄＢしか得られていないが、周波数が高くなるにつれて次第に減衰していき、周波数が５００ＧＨｚにおいて共振して−２０ｄＢ以下の良好な反射損失が得られている。そして、周波数が５００ＧＨｚを超えていくと共振から外れて減衰量が少なくなっていき、周波数が６００ＧＨｚにおいては約−６ｄＢの減衰量となる。
このようにスケーリングすることにより、解析モデル１’を５００ＧＨｚで共振するよう設計することができる。このことから、スケーリングをすることにより、４００ＧＨｚや６００ＧＨｚなどの周波数に共振するよう設計することができるようになる。

次に、図５，図６に示す解析モデル１’におけるｙ−ｚ面の放射特性を図１１に示し、ｘ−ｚ面の放射特性を図１２に示す。この場合、解析モデル１’の寸法は上記したように５００ＧＨｚにスケーリングした寸法とされ、周波数は約５００ＧＨｚとされている。
図１１を参照すると、解析モデル１’の放射方向とされるｙ−ｚ面の０°方向（ｚ軸方向）にＣ点で示す約５．８ｄＢｉの高い放射利得のビームが放射されている。また、解析モデル１’の下面方向には非常に小さいサイドローブしか放射されていないことが分かる。また、図１２を参照すると解析モデル１’の放射方向とされるｘ−ｚ面の０°方向（ｚ軸方向）にＣ点で示す約５．８ｄＢｉの高い放射利得のビームが放射されている。また、解析モデル１’の下面方向にはわずかしか放射されていないことが分かる。また、周波数を４９０ＧＨｚにした場合は、解析モデル１’におけるｙ−ｚ面およびｘ−ｚ面の放射特性はほぼ同様となり、０°方向（ｚ軸方向）の放射利得として若干増加した約５．９ｄＢｉが得られ、反射損失としては約−１９．３ｄＢが得られる。さらに、周波数を５１０ＧＨｚとした場合は、解析モデル１’におけるｙ−ｚ面およびｘ−ｚ面の放射特性はほぼ同様となり、０°方向（ｚ軸方向）の放射利得として若干低下した約５．７ｄＢｉが得られ、反射損失としては約−２０．８ｄＢが得られる。

次に、解析モデル１’において第２基板１３の高さＨをパラメータとした際の入力インピーダンス特性を図１３に示す。
第２基板１３の高さＨを０．１λから０．２λまで変化した際の入力インピーダンスの実部と虚部の変化が図１３に示されている。図１３を参照すると、入力インピーダンスの実部は高さＨが０．１λの時に約３０Ωとなり、高さＨが０．１２５λ、０．１５λと高くなるにつれて次第に上昇していく。そして、高さＨが０．１５λを超えると緩やかに上昇していき、高さＨが０．２λとなると約６８Ωになる。また、入力インピーダンスの虚部は高さＨが０．１λの時に約０Ωとなり、高さＨが０．１２５λを超えるまではほぼ０オームとなる。高さＨが０．１２５λを超えていくと次第に虚部の絶対値が大きくなっていき、高さＨが０．２λになると約−３５Ωとなる。図１３を参照すると、高さＨを約０．１３λとすることにより、５０Ωの特性インピーダンスに整合することのできる入力インピーダンスが得られることが分かる。

このように、解析モデル１’において、高い放射利得が得られるのは、図１７に示す従来の光伝導アンテナ１００のようにテラヘルツ電磁波が比誘電率が高く損失の多い光伝導膜１１０を透過することなく直接自由空間に放射される構成とされると共に、比誘電率εｒ２が約３と低く損失の少ない第２基板１３を透過して金属層１２で反射された反射波が、直接波にほぼ同相で合成されるからと考えられる。そして、上述した解析モデル１’に基づいて、図１，図２に示す第１実施例の光伝導アンテナ１が具現化されており、光伝導アンテナ１の各部の寸法は解析モデル１’における各部の寸法と同様とされている。
なお、上記説明した図７ないし図１３の特性は、第２基板１３の誘電体損（tanδ）がないものとした時の特性である。

次に、本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第２実施例にかかる光伝導アンテナの構成を一部破断して示す斜視図を図１４に示す。
図１４に示す第２実施例の光伝導アンテナ２は、絶縁性あるいは半絶縁性の所定厚みの第１基板２１の一面に光伝導層２０が形成され、第１基板２１の他面に金属層２２が蒸着等により形成されている。第１基板２１は、例えばＧａＡｓ基板とされ、光伝導層２０の材料は、例えば低温成長ＧａＡｓ（比誘電率εｒ１は約１３）とされ、金属層２２の材料は金、銀、アルミニウムや銅等とされる。金属層２２の上面には所定厚みの絶縁性の第２基板２３が貼着されている。第２基板２３の材料は、例えばフッ素樹脂（比誘電率εｒ２は約３）とされる。この第２基板２３の上面に、第１エレメント２５ａ１および第２エレメント２５ｂ１からなる第１ダイポールアンテナ２５−１と、第１エレメント２５ａ２および第２エレメント２５ｂ２からなる第２ダイポールアンテナ２５−２と、第１エレメント２５ａ３および第２エレメント２５ｂ３からなる第３ダイポールアンテナ２５−３の３つのダイポールアンテナが蒸着等により形成されている。

３つの第１エレメント２５ａ１〜２５ａ３と３つの第２エレメント２５ｂ１〜２５ｂ３とが対向する第１ダイポールアンテナ２５−１〜第３ダイポールアンテナ２５−３の給電点から、３本の第１ライン２６ａ１，２６ａ２，２６ａ３および３本の第２ライン２６ｂ１，２６ｂ２，２６ｂ３がそれぞれ内部に向かってほぼ平行に引き出されている。第１ライン２６ａ１〜２６ａ３および第２ライン２６ｂ１〜２６ｂ３は、第２基板２３、金属層２２、第１基板２１および光伝導層２０を貫通して、光伝導層２０の外表面上に引き出されており、光伝導層２０の外表面上に沿って第１共通ライン２６ｄおよび第２共通ライン２６ｅが形成されている。そして、第１ライン２６ａ１〜２６ａ３および第２ライン２６ｂ１〜２６ｂ３がそれぞれ第１共通ライン２６ｄおよび第２共通ライン２６ｅに接続されている。光伝導層２０上に形成されている第２共通ライン２６ｅには切欠部２６ｃが形成されている。この場合、金属層２２と第１ライン２６ａ１〜２６ａ３および第２ライン２６ｂ１〜２６ｂ３とが短絡しないように、金属層２２には第１ライン２６ａ１〜２６ａ３および第２ライン２６ｂ１〜２６ｂ３の外形寸法より大きな寸法の孔部が形成される。また、切欠部２６ｃの間隔は、例えば数μｍ程度とされると共に、第１共通ライン２６ｄおよび第２共通ライン２６ｅとでコプレーナラインを形成することができる。第１ダイポールアンテナ２５−１〜第３ダイポールアンテナ２５−３が形成されている第２基板２３の上面には、レンズ２４が貼着されている。

このような構成の第２実施例の光伝導アンテナ２において、第１共通ライン２６ｄおよび第２共通ライン２６ｅの端部との間に直流のバイアス電圧Ｅｃを印加する。この状態では、第２共通ライン２６ｅは切欠部２６ｃにより絶縁されており、第１共通ライン２６ｄおよび第２共通ライン２６ｅに電流は流れない。ここで、光源２７から１０^-15秒程度のフェムト秒パルスレーザ光を第２共通ライン２６ｅにおける切欠部２６ｃに照射する。パルスレーザ光を切欠部２６ｃに照射すると、切欠部２６ｃにおける光伝導層２０中に光導電効果により自由キャリアが生じ、この自由キャリアがバイアス電圧Ｅｃにより加速されることにより、切欠部２６ｃにサブピコ秒（１０^-12秒）程度のパルス状の電流が流れる。このパルス状の電流は第１共通ライン２６ｄおよび第２共通ライン２６ｅと、第１ライン２６ａ１〜２６ａ３および第２ライン２６ｂ１〜２６ｂ３とを介して第１ダイポールアンテナ２５−１〜第３ダイポールアンテナ２５−３に同相に供給されて、テラヘルツ電磁波が第１ダイポールアンテナ２５−１〜第３ダイポールアンテナ２５−３からそれぞれ放射される。なお、第１ダイポールアンテナ２５−１、第２ダイポールアンテナ２５−２、第３ダイポールアンテナ２５−３に同相で給電されるように、給電線路の長さの違いはｎλとされている。ただし、ｎは整数、λは使用する周波数の波長である。これにより、第１ダイポールアンテナ２５−１ないし第３ダイポールアンテナ２５−３から放射されるテラヘルツ電磁波の位相が同相となる。

このように、切欠部２６ｃが３組の第１ダイポールアンテナ２５−１〜第３ダイポールアンテナ２５−３の給電部となる。この場合、第２基板２３の下面に配置された金属層２２の作用により、第１ダイポールアンテナ２５−１〜第３ダイポールアンテナ２５−３から放射されたテラヘルツ電磁波が反射され、この反射波がｚ軸方向に同相で放射されたテラヘルツ電磁波とほぼ同相で合成されることによりｚ軸方向へ強く放射される。合成されたテラヘルツ電磁波は、レンズ２４により収束されるようになる。この場合、光伝導アンテナ４は３つのダイポールアンテナ２５−１〜２５−３から同相でテラヘルツ電磁波が放射されるアレーアンテナとされていることから、ｚ軸方向により強く電磁波が放射される。なお、第１ダイポールアンテナ２５−１〜第３ダイポールアンテナ２５−３の電気長は、放射されるテラヘルツ電磁波の波長をλとした際に約λ／２の長さとされる。また、第２基板２３の厚さは、放射されるテラヘルツ電磁波の波長をλとした際に約λ／４の電気長が得られる厚さとされるのが好適である。さらに、レンズ２４は、例えばシリコンレンズとされ、レンズ２４の上部形状が凸状の膨出部を備える形状とされて、テラヘルツ電磁波を収束している。なお、レンズ２４を省略しても良い。

第２実施例の光伝導アンテナ２は、３組の第１ダイポールアンテナ２５−１〜第３ダイポールアンテナ２５−３からなるアレーアンテナを備え、ｚ軸方向へ同相で放射されることからビームが鋭くなり放射利得を第１実施例の光伝導アンテナ１より向上することができる。なお、本発明の第２実施例の光伝導アンテナ２においても、テラヘルツ電磁波が比誘電率が高く損失の多い光伝導膜を透過することなく直接自由空間に放射される構成とされると共に、比誘電率εｒ２が約３と低く損失の少ない第２基板２３を透過して金属層２２で反射された反射波が、直接波にほぼ同相で合成されることから、高い放射利得を得ることができる。

次に、本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第３実施例にかかる光伝導アンテナの構成を示す斜視図を図１５に示す。
図１５に示す第３実施例の光伝導アンテナ３は、金属板３３の上に絶縁性あるいは半絶縁性の所定厚みの第１基板３１と、所定厚みの絶縁性の第２基板３２とが横方向に密着するよう接着されて一体になるよう配置されている。第１基板３１の表面には光伝導層３０が形成されている。第１基板３１は、例えばＧａＡｓ基板とされ、光伝導層３０の材料は、例えば低温成長ＧａＡｓ（比誘電率εｒ１は約１３）とされ、第２基板３２の材料は、例えばフッ素樹脂（比誘電率εｒ２は約３）とされ金属板３３の材料は金、銀、アルミニウムや銅等とされる。この第２基板３２の表面に、第１エレメント３４ａおよび第２エレメント３４ｂからなるダイポールアンテナ３４が蒸着等により形成されている。第１エレメント３４ａと第２エレメント３４ｂとが対向するダイポールアンテナ３４の給電点から、第１ライン３５ａおよび第２ライン３５ｂがほぼ平行に第２基板３２の表面に形成されている。

この第１ライン３５ａおよび第２ライン３５ｂは第１基板３１側へ延伸されて、第１基板３１の表面の光伝導層３０上にも形成されている。光伝導層３０上に形成されている第１ライン３５ａの中途は切断されてＬ字状に折曲されて外部へ引き出されるように形成されている。また、第１ライン３５ａおよび第２ライン３５ｂの先端部は対向部３５ｃを介して対向するように形成されている。この場合、対向部３５ｃの間隔は、例えば数μｍ程度とされると共に、第１ライン３５ａおよび第２ライン３５ｂは金属板３３がグランドプレーンとされてマイクロストリップラインを形成することができる。また、ダイポールアンテナ３４が形成されている第２基板３２の上面にレンズを設けるようにしてもよい。
このような構成の第３実施例の光伝導アンテナ３において、第１ライン３５ａの中途に形成されたＬ字状に折曲された端部間に直流のバイアス電圧Ｅｃを印加する。この状態では、第１ライン３５ａおよび第２ライン３５ｂの間は対向部３５ｃにより絶縁されて電流は流れず、第１エレメント３４ａおよび第２エレメント３４ｂからなるダイポールアンテナ３４からの放射はない。

ここで、光源３６から１０^-15秒程度のフェムト秒パルスレーザ光を第１ライン３５ａにおける対向部３５ｃに照射する。パルスレーザ光が対向部３５ｃに照射されると、対向部３５ｃにおける光伝導層３０中に光導電効果により自由キャリアが生じ、この自由キャリアがバイアス電圧Ｅｃにより加速されることにより、対向部３５ｃにサブピコ秒（１０^-12秒）程度のパルス状の電流が流れる。このパルス状の電流により、第１ライン３５ａおよび第２ライン３５ｂを介してダイポールアンテナ３４が励振されて、テラヘルツ電磁波が第１エレメント３４ａおよび第２エレメント３４ｂからなるダイポールアンテナ３４から放射される。このように、対向部３５ｃがダイポールアンテナ３４の給電部となる。この場合、第２基板３２の下面に配置された金属板３３の作用により、ダイポールアンテナ３４から下方へ放射されたテラヘルツ電磁波が反射され、この反射波はｚ軸方向に放射されたテラヘルツ電磁波とほぼ同相で合成されることによりｚ軸方向に強く放射される。なお、ダイポールアンテナ３４の電気長は、放射されるテラヘルツ電磁波の波長をλとした際に約λ／２の長さとされる。また、第２基板３２の厚さは、放射されるテラヘルツ電磁波の波長をλとした際に約λ／４の電気長が得られる厚さとされるのが好適とされる。また、第２基板３２の上面にレンズを設けると、テラヘルツ電磁波を収束することができる。
第３実施例の光伝導アンテナ３は、テラヘルツ電磁波が比誘電率が高く損失の多い光伝導膜を透過することなく直接自由空間に放射される構成とされると共に、比誘電率εｒ２が約３と低く損失の少ない第２基板３２を透過して金属板３３で反射された反射波が、直接波にほぼ同相で合成されることから、高い放射利得を得ることができる。

次に、本発明のテラヘルツ電磁波発生装置の第４実施例にかかる光伝導アンテナの構成を示す斜視図を図１６に示す。
図１６に示す第４実施例の光伝導アンテナ４は、金属板４３の上に絶縁性あるいは半絶縁性の所定厚みの第１基板４１と、所定厚みの絶縁性の第２基板４２とが横方向に密着するよう接着されて一体になるよう配置されている。第１基板４１の表面には光伝導層４０が形成されている。第１基板４１は、例えばＧａＡｓ基板とされ、光伝導層４０の材料は、例えば低温成長ＧａＡｓ（比誘電率εｒ１は約１３）とされ、第２基板４２の材料は、例えばフッ素樹脂（比誘電率εｒ２は約３）とされ金属板４３の材料は金、銀、アルミニウムや銅等とされる。この第２基板４２の表面に、第１エレメント４４ａ１および第２エレメント４４ｂ１からなる第１ダイポールアンテナ４４−１と、第１エレメント４４ａ２および第２エレメント４４ｂ２からなる第２ダイポールアンテナ４４−２と、第１エレメント４４ａ３および第２エレメント４４ｂ３からなる第３ダイポールアンテナ４４−３の３つのダイポールアンテナが蒸着等により形成されている。

第２基板４２の表面に第１ライン４５ａおよび第２ライン４５ｂがほぼ平行に形成されており、３つの第１エレメント４４ａ１〜４４ａ３の給電点が第１ライン４５ａにそれぞれ接続されており、３つの第２エレメント４４ｂ１〜４４ｂ３の給電点が第２ライン４５ｂにそれぞれ接続されている。この場合、第１ライン４５ａおよび第２ライン４５ｂに接続される第１ダイポールアンテナ４４−１ないし第３ダイポールアンテナ４４−３の給電点の間の電気長は約ｎλとされている。ただし、ｎは整数、λは使用する周波数の波長である。これにより、第１ダイポールアンテナ４４−１ないし第３ダイポールアンテナ４４−３から放射されるテラヘルツ電磁波の位相が同相となる。
第１ライン４５ａおよび第２ライン４５ｂは第１基板４１側へ延伸されて、第１基板４１の表面の光伝導層４０上にも形成されている。光伝導層４０上に形成されている第１ライン４５ａの中途は切断されてＬ字状に折曲されて外部へ引き出されるように形成されている。また、第１ライン４５ａおよび第２ライン４５ｂの先端部は対向部４５ｃを介して対向するように形成されている。この場合、対向部４５ｃの間隔は、例えば数μｍ程度とされると共に、第１ライン４５ａおよび第２ライン４５ｂは金属板４３がグランドプレーンとされてマイクロストリップラインを形成することができる。また、３つのダイポールアンテナ４４−１〜４４−３が形成されている第２基板４２の上面にレンズを設けるようにしてもよい。

このような構成の第４実施例の光伝導アンテナ４において、第１ライン４５ａの中途に形成されたＬ字状に折曲された端部間に直流のバイアス電圧Ｅｃを印加する。この状態では、第１ライン４５ａおよび第２ライン４５ｂの間は対向部４５ｃにより絶縁されて電流は流れず、第１エレメント４４ａ１〜４４ａ３および第２エレメント４４ｂ１〜４４ｂ３からなる３つのダイポールアンテナ４４−１〜４４−３からの放射はない。ここで、光源４６から１０^-15秒程度のフェムト秒パルスレーザ光を第１ライン４５ａと第２ライン４５ｂとの間に形成された対向部４５ｃに照射する。パルスレーザ光が対向部４５ｃに照射されると、対向部４５ｃにおける光伝導層４０中に光導電効果により自由キャリアが生じ、この自由キャリアがバイアス電圧Ｅｃにより加速されることにより、対向部４５ｃにサブピコ秒（１０^-12秒）程度のパルス状の電流が流れる。このパルス状の電流により、第１ライン４５ａおよび第２ライン４５ｂを介して３つのダイポールアンテナ４４−１〜４４−３が励振されて、テラヘルツ電磁波が第１エレメント４４ａ１〜４４ａ３および第２エレメント４４ｂ１〜４４ｂ３からなる３つのダイポールアンテナ４４−１〜４４−３から放射される。このように、対向部４５ｃが３つのダイポールアンテナ４４−１〜４４−３の給電部となる。

この場合、第２基板４２の下面に配置された金属板４３の作用により、３つのダイポールアンテナ４４−１〜４４−３から下方へ放射されたテラヘルツ電磁波が反射され、この反射波はｚ軸方向に同相で放射されたテラヘルツ電磁波とほぼ同相で合成されることによりｚ軸方向に強く放射される。この場合、光伝導アンテナ４は３つのダイポールアンテナ４４−１〜４４−３から同相でテラヘルツ電磁波が放射されるアレーアンテナとされていることから、ｚ軸方向により強く電磁波が放射される。なお、ダイポールアンテナ４４−１〜４４−３の電気長は、放射されるテラヘルツ電磁波の波長をλとした際に約λ／２の長さとされる。また、第２基板４２の厚さは、放射されるテラヘルツ電磁波の波長をλとした際に約λ／４の電気長が得られる厚さとされるのが好適とされる。また、第２基板４２の上面にレンズを設けると、テラヘルツ電磁波を収束することができる。
第４実施例の光伝導アンテナ４は、テラヘルツ電磁波が比誘電率が高く損失の多い光伝導膜を透過することなく直接自由空間に放射される構成とされると共に、比誘電率εｒ２が約３と低く損失の少ない第２基板４２を透過して金属板４３で反射された反射波が、直接波にほぼ同相で合成されると共にアレーアンテナとされていることから、高い放射利得を得ることができる。

以上説明した本発明の光伝導アンテナにおいて、光伝導層の材料は低温成長ＧａＡｓに限らず、イオン注入ＩｎＰ（Indium Phosphide）、イオン注入シリコン、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）ＣｄＴｅ（ Cadmium Telluride）、イオン注入ゲルマニウム等のキャリア寿命が短く、移動度が大きい材料を用いることができる。また、上記した光伝導アンテナの寸法は一例であって、この寸法に限ることはない。
ここで、本発明の第１実施例の光伝導アンテナ１の製造方法の概略を説明すると、ＧａＡｓの第１基板１１の一面にＧａＡｓを低温成長させることにより光伝導層１０を作成する。次いで、第１基板１１の他面に金属層１２を蒸着等により形成する。フッ素樹脂からなる第２基板１３の上面に金属層を蒸着等により形成し、次いで、金属層をエッチングすることにより第１エレメント１５ａおよび第２エレメント１５ｂからなるダイポールアンテナ１５を形成する。光伝導層１０の上面に金属層を蒸着等により形成して、金属層をエッチングすることにより第１ライン１６ａと、切欠部１６ｃを備える第２ライン１６ｂとを形成する。ここで、第１基板１１の金属層１２の上面に第２基板１３の下面を貼着することにより、第１基板１１上に第２基板１３を一体化する。そして、ダイポールアンテナ１５の給電点の位置からエッチングすることにより、第２基板１３と金属層１２と第１基板１１と光伝導層１０までスルーホールを形成する。次いで、スルーホール内を金属メッキしてスルーホールと第１ライン１６ａおよび第２ライン１６ｂとに電気的に接続する。これにより、第１実施例の光伝導アンテナ１を製造することができる。

また、本発明の第２実施例の光伝導アンテナ２は、第１実施例の光伝導アンテナ１とほぼ同様の製造方法により製造することができる。さらに、本発明の第３実施例の光伝導アンテナ３は、第１基板３１の表面にＧａＡｓを低温成長させることにより光伝導層３０を形成する。次いで、金属板３３の上にＧａＡｓの第１基板３１と、フッ素樹脂からなる第２基板３２とを横方向に密着させて接着する。第１基板３１と第２基板３２とは一側辺同士が接着される。そして、第１基板３１および第２基板３２の表面の全面に金属層を蒸着等により形成し、次いで、金属層をエッチングすることにより第１エレメント３４ａおよび第２エレメント３４ｂからなるダイポールアンテナ３４と、第１ライン３５ａおよび第２ライン３５ｂを形成する。この際に、対向部３５ｃも形成される。これにより、第３実施例の光伝導アンテナ３を製造することができる。本発明の第４実施例の光伝導アンテナ４は、第３実施例の光伝導アンテナ３とほぼ同様の製造方法により製造することができる。

１ 光伝導アンテナ、２ 光伝導アンテナ、３ 光伝導アンテナ、１０ 光伝導層、１１ 第１基板、１２ 金属層、１３ 第２基板、１４ レンズ、１４ａ 膨出部、１５ ダイポールアンテナ、１５ａ 第１エレメント、１５ｂ 第２エレメント、１６ａ 第１ライン、１６ｂ 第２ライン、１６ｃ 切欠部、１７ 光源、２０ 光伝導層、２１ 第１基板、２２ 金属層、２３ 第２基板、２４ レンズ、２５ ダイポールアンテナ、２５−１ 第１ダイポールアンテナ、２５−２ 第２ダイポールアンテナ、２５−３ 第３ダイポールアンテナ、２５ａ１，２５ａ２，２５ａ３ 第１エレメント、２５ｂ１，２５ｂ２，２５ｂ３ 第２エレメント、２６ａ１，２６ａ２，２６ａ３ 第１ライン、２６ｂ１，２６ｂ２，２６ｂ３ 第２ライン、２６ｃ 切欠部、２６ｄ 第１共通ライン、２６ｅ 第２共通ライン、２７ 光源、３０ 光伝導層、３１ 第１基板、３２ 第２基板、３３ 金属板、３４ ダイポールアンテナ、３４ａ 第１エレメント、３４ｂ 第２エレメント、３５ａ 第１ライン、３５ｂ 第２ライン、３５ｃ 対向部、３６ 光源、４４−１ 第１ダイポールアンテナ、４４−２ 第２ダイポールアンテナ、４４−３ 第３ダイポールアンテナ、４４ａ１，４４ａ２，４４ａ３ 第１エレメント、４４ｂ１，４４ｂ２，４４ｂ３ 第２エレメント、４５ａ 第１ライン、４５ｂ 第２ライン、４５ｃ 対向部、４６ 光源、１００ 光伝導アンテナ、１１０ 光伝導膜、１１１ 第１基板、１１２ａ 第１ライン、１１２ｂ 第２ライン、１１２ｃ 対向部、１１３ ダイポールアンテナ、１１３ａ 第１エレメント、１１３ｂ 第２エレメント、１１４ 光源

Claims (5)

1. 金属板と、
   該金属板上に配置され、光が照射された際に自由電子が生じる比誘電率εｒ１の光伝導層が表面に形成された絶縁性の第１基板と、
   前記金属板上に前記第１基板の横に隣接して密着するよう配置された比誘電率εｒ２の絶縁性の第２基板と、
   該第２基板の表面に形成された導電性のダイポール素子と、
   該ダイポール素子の給電点から引き出され、前記第２基板の表面から前記第１基板における前記光伝導層上にわたって形成された第１ラインおよび第２ラインと、
   前記光伝導層上に形成されている前記第１ラインと前記第２ラインの端部が所定の間隔で対向している対向部と、
   該対向部にパルス状の光を照射する光源と、
   前記第１ラインと前記第２ラインとの間に電源を印加するバイアス電源とを備え、
   比誘電率εｒ１＞比誘電率εｒ２とされていることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
2. 光が照射された際に自由電子が生じる光伝導層が一面に形成され、他面に金属層が形成された比誘電率εｒ１の絶縁性の第１基板と、
   前記金属層上に配置された比誘電率εｒ２の絶縁性の第２基板と、
   該第２基板の表面に形成された導電性のダイポール素子と、
   該ダイポール素子の給電点から引き出され、前記第２の基板、前記金属層、前記第１の基板および前記光伝導層を貫通して、前記光伝導層上に形成された第１ラインおよび第２ラインと、
   前記光伝導層上に形成されている前記第２ラインに形成された切欠部と、
   該切欠部にパルス状の光を照射する光源と、
   前記第１ラインの端部と、前記第２ラインの端部との間に印加されたバイアス電源とを備え、
   比誘電率εｒ１＞比誘電率εｒ２とされていることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
3. 前記ダイポール素子が形成されている前記第２基板の表面に、前記ダイポール素子から発生されたテラヘルツ電磁波を収束するレンズが設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
4. 前記第２基板の表面に複数のダイポール素子が配列されて形成され、各ダイポール素子の給電点が前記第１ラインおよび前記第２ラインに並列に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
5. 前記第１基板における比誘電率εｒ１と前記第２基板における比誘電率εｒ２との比であるεｒ１／εｒ２が、約４以上とされていることを特徴とする請求項１または２記載のテラヘルツ電磁波発生装置。

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