(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重積層型固有ジョセフソン接合を有するＢＳＣＣＯ超伝導体の単結晶体であり、前記ＢＳＣＣＯ超伝導体のｃ軸が高さ方向となるように形成されている矩形平面メサ構造を発振手段とし、前記矩形平面メサ構造より、前記矩形平面メサ構造の水平方向から上方に所定角傾いた方向に放射される電磁波を利用することを特徴とする指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項２】
前記所定角は、その中心角を６０度とし、５２．５乃至６７．５度の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項３】
前記矩形平面メサ構造上には、Ｓｉ半球レンズが配置されることを特徴とする請求項２に記載の指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項４】
前記矩形平面メサ構造は、外部からの磁界印加が不要な電磁空洞共振により励起されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかの項に記載の指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項５】
前記電磁空洞共振は、ファブリ・ペロー空洞共振である請求項４に記載の指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項６】
前記矩形平面メサ構造の幅が、前記矩形平面メサ構造に放射させる電磁波の周波数に基づき定められている
ことを特徴とする請求項５に記載の指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項７】
前記矩形平面メサ構造の幅が、４０μｍ以上且つ１００μｍ以下である
ことを特徴とする請求項５に記載の指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【請求項８】
前記矩形平面メサ構造に印加するバイアス電圧を変化させることにより発振周波数を連続的に調整できる請求項５に記載の指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温超伝導体を用いてコヒーレントなテラヘルツ（１０１２Ｈｚ）帯域の電磁波発振器に関し、特に、高強度のテラヘルツ帯域の電磁波を発振する指向性を有する高強度出力のテラヘルツ帯域電磁波発振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ帯電磁波（例えば、０．１乃至数十ＴＨｚ、以下適宜「ＴＨｚ帯」という）は、現在利用されているギガヘルツ帯域の電磁波と比較して極めて高い透過性を有し、物体を精細に見ることができることから、近い将来、物理化学的な分光測定器、種々の分子、高分子、タンパク質などの同定、精緻なイメージング分野、医療及び診断装置、航空宇宙又は防衛分野、高速度通信等に幅広く利用される広範な応用分野を有する有望な周波数帯域である。この広範な応用性は、テラヘルツ帯電磁波の二つの特異的な性質から得られる。すなわち、広く様々な重要な化学的又は生物的物質の振動及び回転モードに対するテラヘルツ帯電磁波のスペクトラム特異性、及び、包装材料、衣類、プラスチック等を通過するテラヘルツ帯電磁波の浸透性である。
【０００３】
このため、従来から、ＴＨｚ帯の電磁波発振器として、半導体に高出力のフェムト秒（１／１０１５）レベルのレーザ光を照射し、その強力な電場によって誘起される電流でパルス的な広帯域のＴＨｚ帯域波を発生させる光スイッチ法や、大電力レーザ光を非線形光学結晶に照射するパラメトリック法の他、自由電子レーザや放射光、フォトミキシングなど種々の方法が知られていた。
【０００４】
また、他のＴＨｚ領域の電磁波発振器の公知技術の例として、ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物：Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０）や、ＴＢＣＣＯ（タリウム・バリウム・カルシウム・銅酸化物：ＴＬ２Ｂａ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０）等の超伝導単結晶からなる超伝導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層された積層ジョセフソン接合を有する超伝導単結晶素子を利用したＴＨｚ帯発振器が提案されている（例えば、特許文献１又は特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２００６−２１０５８５号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの従来のＴＨｚ帯発振器は何れも、発振効率（入力エネルギーに対するＴＨｚ帯電磁波出力の比）が悪い（数％以下）にも拘らず、大掛かりな付帯装置を必要とするものであり、実用的ではなかった。
【０００６】
すなわち、特許文献１又は特許文献２に記載されているように、従来のジョセフソン接合を利用したＴＨｚ帯域の電磁波発振装置提案は何れも、超伝導素子の狭い素子幅に強力な磁界を印加しなければならず、付帯装置として大掛かりな外部の磁場印加装置を設備する必要性があり、携帯不可能で且つ高強度のＴＨｚ帯域の電磁波を発振させ利用することは困難であった。
【０００７】
一方、上述したように、超伝導単結晶からなる超伝導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合が直列に積層された積層ジョセフソン接合を有する超伝導単結晶素子を利用してＴＨｚ帯域の電磁波を発振させること自体は広く知られていたが、超伝導固有ジョセフソン接合素子から放射される電磁波の放射特性は、全く知られていなかった。すなわち、金属導体により形成されるアンテナからの電磁波の放射特性については、従来から多くの研究例があり現在工学的に確立されているものの、高温超伝導体の固有ジョセフソン接合素子から放射される電磁波強度の空間分布は、従来のアンテナ理論により予想される電磁放射の指向性と異なるものであり、その特性については、今まで知られていなかったのである。
【０００８】
高温超伝導体の固有ジョセフソン接合を利用したＴＨｚ帯域の電磁波の発振において、発振強度の向上は極めて重要である。従来は、所定形状の矩形平面上メサ構造から放射される電磁波の強度分布について、その電磁波発振のメカニズムから、矩形平面メサ構造の水平方向に最も強い電磁波が放射されるとの前提から、もっぱら水平方向に放射される電磁波を利用してきたのである。
【０００９】
しかし、本願の発明者は、実験的に、超伝導体ＢＳＣＣＯ構造の単結晶の上に形成される矩形平面メサ構造の形状により、水平方向から所定角上方に傾いた方向に放射される電磁波が最も強い強度を有することを確認したのである。これは、従来技術において予想できなかった結果であり、この結果を利用すれば、特定方向により高強度のＴＨｚ帯域の電磁波を得る事ができるのである。
【００１０】
本発明は、このような従来のＴＨｚ帯電磁波発振装置の種々の課題に鑑みてなされたものであり、そして、特定方向により高強度のＴＨｚ帯域の電磁波を得るとの新たな実験的確認に基づいてなされたものであって、小型軽量、高効率で連続発振が可能であり且つコヒーレントで周波数可変なＴＨｚ領域帯の電磁波発振装置（デバイス）であって、指向性を有する高強度出力のＴＨｚ帯電磁波発振装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このため、本発明は、多重積層型固有ジョセフソン接合を有するＢＳＣＣＯ超伝導体の単結晶体であり、前記ＢＳＣＣＯ超伝導体のｃ軸が高さ方向となるように形成されている矩形平面メサ構造を発振手段とし、前記矩形平面メサ構造より、前記矩形平面メサ構造の水平方向から上方に所定角傾いた方向に放射される電磁波を利用することを特徴とする指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置を提供するものである。ここで、前記所定角は、その中心角を６０度とし、５２．５乃至６７．５度の範囲であることを特徴とするのである。
【００１２】
ここで、前記矩形平面メサ構造は、外部からの磁界印加が不要な電磁空洞共振により励起されることを特徴とし、この電磁空洞共振は、ファブリ・ペロー空洞共振である。
【００１３】
そして、前記矩形平面メサ構造上には、Ｓｉ半球レンズが配置されるのである。
【００１４】
ところで、本発明においては、前記矩形平面メサ構造に放射させる電磁波の周波数を、前記矩形平面メサ構造の幅の変更により変更することが出来る。
【発明の効果】
【００１６】
このように、本発明に係る指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置は、多重積層型固有ジョセフソン接合を有するＢＳＣＣＯ超伝導体の単結晶体であり、前記ＢＳＣＣＯ超伝導体のｃ軸が高さ方向となるように形成されている矩形平面メサ構造を発振手段としているので、特別のアンテナ等の発振手段を設ける必要がない。そして、本電磁波発振装置では、超伝導素子の狭い素子幅に強力な磁界を印加するための磁場印加装置を設備する必要がないので、携帯可能で且つ高強度のテラヘルツ帯域の電磁波を発生させこれを利用することを実現したのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る指向性を有するテラヘルツ帯電磁波発振装置の詳細について説明するが、最初に、電磁空洞共振により励起される超伝導体ＢＳＣＣＯ構造の単結晶体について詳しく説明する。
【００１８】
超伝導ジョセフソン接合部は、電圧に比例する周波数を持つ高周波の電磁場を形成するという基本的性質を持つが、この性質は、コヒーレントで、変調可能な高周波発振装置の製造を可能とする。この魅力的な可能性は、過去においても、人工のジョセフソン接合部の大型アレイを製造することによって広範に探索されてきた。
【００１９】
大きな問題は、アレイにおける全ての接合部を同期させ、同相で振動させることであるが、これは、例えば、それらを同じ電子共振回路に結合することによって実現することが可能である。ＢＳＣＣＯ（ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物：Ｂｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏ８、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃａ２Ｃｕ３Ｏ１０）における固有のジョセフソン効果によって、積層体の形で、すなわち、単結晶として成形した所謂メサの形で、極めて多数の、緊密に詰められた同一接合部から成る一次元アレイを簡単に製造することが可能である。
【００２０】
上記の積層体における全ての接合部が、同じ周波数で、かつ、同相で振動するように強いた場合、合計電力が接合部の数の二乗の大きさで測られる、強力なコヒーレント電磁発射線が得られると考えられる。この同期は、接合部を、外部のマイクロ波空洞、または、メサ自身の共振モードに結びつけることによってさらに促進される。大面積メサ内部の電磁波は、ジョセフソン・プラスマモードとして伝播する。
【００２１】
このモードの面内速度は、面外波ベクトルに大きく依存し、最高速度は、同相モード（全ての接合部が同相で振動する）に一致し、最低速度は、隣接接合部が異相で振動する逆相モードに一致する。さらに全ての上記モードにおいて、メサの側面における多数の反射によって定在波パターン、及び、フィスケモードとして知られるファブリ・ペロー型空洞共振がもたらされる。
【００２２】
同相モードを除く全てにおいて、同じ表面では、平均電場は互いに打ち消し合うので、同相モードのみが検知可能な外部電磁波発生を生む。フィスケ共振を励起するために、ジョセフソン渦の移動格子がしばしば用いられる。しかしながら、渦同士の誘導相互作用にとっては三角形の渦格子構造が好都合であるが、この構造では、非電磁波発生性の逆相モードがもっぱら励起される。十分に狭いメサにおける側面作用、すなわち、高度駆動における動的作用によれば、同相モードを励起することが可能な方形対称を持つ渦格子の安定化が可能であろうという提案が為されたが、この提案の証明はまだ報告されていない。
【００２３】
本発明においては、ジョセフソン接合部に局在する交番電磁場を、コヒーレントな、偏向性高周波電磁波に効率的に変換することを可能とする手段を開示する。我々の対処法は、ファブリ・ペロー空洞モードに対する接合部における波の結合に基づく。これは、二つの作用を持つ。すなわち、
（ａ）多数のジョセフソン接合部が同期して同相モードで動作するようになり、これは、非相関性接合部に観察されるような一次的ではなく、接合部の数と共に二次的に増加する、利用可能な電磁波エネルギーをもたらす。
（ｂ）共振時、エネルギーは、同期モードに効率的に吸収され、空洞の品質係数に等しい係数だけ、その強度を強化する。この空洞の品質係数は、大きくすることが可能であり、かつ、最終的に、空洞における損失によってのみ制限されるだけである。
【００２４】
上記のような接合部を有するデバイスの基本的対称性の分析から、接合部に対して垂直に流れる均一な電流は、共振空洞モードを励起することができないことが示されている。従って、電磁波発生源としてジョセフソン接合部を使用することに関連する従来技術は、接合部に対して平行に印加される磁場における動作をもっぱら検討している。次に、所謂ジョセフソン渦が、超伝導層の間に進入して対称性を破壊し、フィスケ共振として知られる共振が励起される。
【００２５】
本発明においては、電流と電磁波モードの間に非均一的結合を形成することによって、対称性を破り、ゼロ印加磁場における共振空洞モードの励起を可能とする。これは、例えば下記の方法によって実現が可能であるが、これに限定されない。
（ａ）ＢＳＣＣＯの組成の勾配は、メサの幅全体に渡って非均一臨界電流密度を誘発する。ＢＳＣＣＯの超伝導性（ＴＣ、ＪＣ）は、その酸素含量に大きく依存する。従って、酸素雰囲気における調節的焼入れを用いることによって、一方の側面近傍では、反対の側面近傍よりも高くなる臨界電流密度を確立する。
（ｂ）例えば、矩形ではなく台形を持つ、メサの非対称断面は、複数の側面において、非対称電流及び非対称反射係数を誘発する。
（ｃ）非対称臨界電流分布はまた、メサの一側に対し、電子またはプロトンビームを照射することによって、または、イオンを注入することによって意図的に超伝導性を抑圧して確立することも可能である。
【００２６】
正確に同じ臨界電流変調を持つ同一層から構成される理想的メサの電磁波発生及び転送性質については、様々な変調プロフィールに関して評価することが可能である。
【００２８】
現在、上記したような多重積層型固有ジョセフソン接合を有する超伝導体ＢＳＣＣＯ構造におけるメサ型の固有ジョセフソン接合からは、高強度の０．８５ＴＨｚまでの連続的で単色的なＴＨｚ放射線が抽出され得ることが判明している。ここで、本願の発明者は、発光超伝導体（ＬＥＳ）の発光特性が０．６３ＴＨｚにおいて推定合計パワーを５μＷまで増大したのである。そして、Ｓｉ半球レンズを一緒に使用することにより、分光器の後の検出器におけるパワーは、遠赤外スペクトル観測に対して一般的に使用される水銀ランプの２３倍に達する先行例と比較して最終的に２７０倍だけ向上される。そして、２０分間の発振駆動におけるパワー変動は４％未満であり、電磁波発振は非常に安定的である。
【００２９】
本発明に係るＴＨｚ帯域の電磁波発振装置は、単純な構造、ゼロ磁界における単純なバイアス操作、および、室温と２０Ｋとの間における多数回の加熱サイクルに対する耐久性の故に、これらの結果はＬＥＳが有望なＴＨｚ供給源であることを示している。
【００３０】
薄寸の絶縁層により分離された超伝導電極間（ジョセフソン接合）に生ずるジョセフソン効果は、直流電圧を高周波電磁放射線へと変換する天然の変換器を構成し、１ｍＶが０．４８３ＴＨｚに対応する。そして、単一の接合からの発光は、非常に弱い。しかし、超伝導ＣｕＯ２層が絶縁的なＢｉ−Ｓｒ−Ｏ絶縁層により分離される層状化高温超伝導体ＢＳＣＣＯにおいては、固有ジョセフソン接合の稠密充填は相互に結合することから、電磁波発振（以下。適宜「発光」という）の強度は、相当な大きさにすることが可能である。斯かるＬＥＳデバイスはアルゴンヌ国立研究所（ＡＮＬ）にて、メサ型デバイスとして好首尾に実現された。
【００３１】
図１は、本発明に係るＳｉ半球レンズを備えたＢＳＣＣＯ発光超伝導体（ＬＥＳ）の概略図を示すものである。
図１においては、印加されたｃ軸電流（ｚ方向）はメサの幅（ｙ方向）において基本キャビティ・モード（安定した半波）を励起し、各側面からは高周波の電磁放射線が放出される。偏光および周波数は、マーチン・パプレット干渉計を採用したＦＴ−ＩＲにより分析され、且つ、放射線の分布および安定性は光学的チョッパとＳｉ複合ボロメータ検出器とを採用した変調技術により測定された。
【００３２】
ところで、図１に示すＢＳＣＣＯ発光超伝導体においては、同相で発振すべく５００個より多い接合が作成され、１００μｍ〜４０μｍに亙るメサ幅に反比例して０．３６乃至０．８５ＴＨｚの発光周波数にて、０．５μＷまでの連続波のコヒーレントな放射線パワーを生成することが可能である。発光は、５０Ｋの温度まで持続する。そして、この発光は、磁界の印加を必要としない。
本願の発明者は、ＡＮＬのメサデバイスと同一の方法であって、しかし独自に調製された６０μｍの幅、４００μｍの長さ及び約１．９μｍの高さを備えたメサの形態のＢＳＣＣＯ発光超伝導体（ＬＥＳ）の発光特性を得た。
【００３３】
上記メサおよび電気接点は、劈開ＢＳＣＣＯ単結晶上に、一連の熱蒸着、フォトリソグラフおよびＡｒイオン食刻段階により作製される。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察すると、メサは、Ａｒイオン食刻プロセスにより頂部幅における５０μｍおよび底部における６４μｍの台形状を有することが示される。そして、印加されるｃ軸電流（ｚ方向）はメサの幅（ｙ方向）において基本キャビティ・モード（安定した半波）を励起し、図１に示すように、高周波の電磁放射線が放出される。上記メサの側面からの発光は、ケイ素半球レンズを通し又はそれ無しで収集される。発光に対する電流−電圧特性およびバイアス条件は、他の箇所で詳細に記述される。
【００３４】
図２は、マーチン・パプレット（Martin-Puplett）干渉計と、入口および出口にワイヤ格子を用いた改変型のマイケルソン干渉計と、ビームスプリッタ（ＦＡＲＩＳ−１分光器、ＪＡＳＣＯ社）とを採用してＦＴ−ＩＲにより分析された発光のスペクトル特性を示している。周波数値は基本キャビティ共振ｆ＝ｃ／２ｎｗと概略的に一致し、式中、ｗはメサの幅、ｎ≒３．５はＢＳＣＣＯのｃ軸の遠赤外屈折率、そして、ｃは光速度を意味する。
【００３５】
図２は、本発明に係る指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置のスペクトル特性を示すものである。
ここで、図２（ａ）においては、ＬＥＳからの発光は、１２００Ｋにおける水銀ランプおよび黒体からの放射線と比較され、全てはＴＧＳ焦電センサにより検出される。０．６３ＴＨｚにおけるピーク強度は、赤外スペクトル観測に対して一般的に使用される水銀ランプからの放射線の２３倍だけ強い。周波数は殆ど、関係ｆ=ｃ／２ｎｗでメサの幅ｗにより決定され、式中、ｎ≒３．５はサンプルの屈折率であり、ｃは、光の速度である。観察された〜１０ＧＨｚ（ＦＷＨＭ）の線幅は機器の分解能により制限される。
また、図２（ｂ）においては、ＢＳＣＣＯ結晶の層へのマーチン・パプレット干渉計に対する入口および出口におけるワイヤ格子の直交設定および平行設定にて測定されたスペクトルを示す。発光ピークの比率として定義されるＬＥＳからの発光の偏光比は５０であるが、機器からの熱放射による３ＴＨｚ付近の広幅ピークは１．２の比率のみを有する。
【００３６】
図２（ａ）に示すように、ＬＥＳからＳｉ半球レンズを通した発光は、１２００Ｋにおける水銀ランプおよび黒体からの放射線と比較され、全てはＴＧＳ焦電センサにより検出される。各光源は、ＦＡＲＩＳ−１分光器に対する標準的なものである。上記焦電センサの感度は、Ｔ＝４．２Ｋで動作するＳｉ複合ボロメータより１／１００〜１／１０００だけ悪いものの、該センサは室温で動作して低コストなので各用途に対して好適である。そして、０．６３ＴＨｚにおけるピーク強度は、遠赤外スペクトル観測に対して一般的に使用される水銀ランプからの放射線の２３倍だけ強い。観測された１０ＧＨｚ（ＦＷＨＭ）の線幅は、ＦＴ−ＩＲ分光器の分解能７．５ＧＨｚにより相当に制限されることから、実際の強度比率は相当に大きいと判断される。
【００３７】
電界ベクトルがワイヤに平行であるときに、金属ワイヤ格子は電磁波に対する偏光フィルタとして作用し、遮断周波数未満の電磁波は格子にて遮断されるが、電磁波は、直交形態に対しては上記格子を通過する。
【００３８】
図２（ｂ）は、ＢＳＣＣＯ結晶の層へのマーチン・パプレット干渉計に対する入口および出口におけるワイヤ格子の直交設定および平行設定にて測定されたスペクトルを示す。Ｓｉ半球レンズ無しで、５２．５°＜θ＜６７．５°および−７．５°＜ψ＜７．５°（図１参照）に向けて発せられた光は凹状ミラーにより収集されてＳｉ複合ボロメータにより検出される。
【００３９】
発光ピークの比率として定義されるＬＥＳからの発光の偏光比は５０であるが、機器からの熱放射とＦＴ−ＩＲのスペクトル感度との積として観察される３ＴＨｚ付近の広幅ピークは〜１．２の比率を有する。ＬＥＳからの発光でありその電界ベクトルがＢＳＣＣＯ結晶の層に直交するという発光は、高度に偏光される。
ＬＥＳからの発光の分布特性および時的安定性は、７０Hz変調を行う光学的チョッパ、Ｓｉ複合ボロメータ検出器およびロックイン増幅器を採用する変調技術により測定された。
【００４０】
図３は、Ｓｉ半球レンズ無しのＢＳＣＣＯ発光超伝導体（ＬＥＳ）からの発光の分布特性を示すものである。ここで、角度θおよびψは図１に定義される。図３（ａ）は、４．３°の角度分解能によるψ＝０°における発光強度のθ依存性を示し、図（ｂ）は、θ＝０°におけるψ依存性を示す。即ち、図３の（ａ）及び（ｂ）は、夫々、Ｓｉ半球レンズなしでの、ψ＝０°における発光強度のθ依存性、および、θ＝０°におけるψ依存性を示すものである。
【００４１】
上記ＬＥＳと、１２．７ｍｍの有効口径の検出器との間の距離は１７０ｍｍであり、４．３°の角度分解能に帰着した。発光の波長は４７０μｍであり１．３μｍのメサ高より相当に長いことから、発光は回折により高θへと顕著に拡開する。回折による細かい構造も見られる。メサは４００μｍの長さを有することから、発光の分散はψ方向において少なくなる。Ｓｉ複合ボロメータ検出器の感度による放射分布から、全放射パワーは、５μＷ以下であり、入力電力の０．０３％であることが理解できる。
【００４２】
図４は、本発明に係る指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置の発光時間安定性を示すものである。図４に示すように、ＬＥＳに対するバイアスを投入かつ停止すると、検出された信号は〜２０％変化する。更なる８０％のオフセットは、機器からの熱放射により生ずる。２０分の動作において、０．３秒の平均時間によるパワー変動は４％未満と見られる。即ち、図４は、ＬＥＳからの発光の安定性を示すものであり、その場合にＬＥＳはバイアスをシフトすることにより、“ＯＮ”にて投入され且つ“ＯＦＦ”にて停止されている。２０分の動作において、０．３秒の平均時間によるパワー変動は４％未満である。Ｓｉ半球レンズによってさえも、検出された信号の８０％は、検出器の前面に挿入された３ＴＨｚ長波通過フィルタを備えた周囲機器からの熱放射である。但し種々の用途に対しては、ＬＥＳの単色性が優れていることから、狭帯域通過フィルタのみの同時的使用が必要とされるであろう。
【００４３】
発光周波数ｆは、バイアスにより連続的に調節され得るとしても殆どはキャビティ共振を例証するメサの幅により決定されるが、観察された調整可能なレンジはサンプルに依存する。共振を励起するために、ジョセフソン・プラズマ周波数ｆ＝Ｖjｃt／Φ０は共振周波数と整合すべきであり、式中、Φ０は、磁束量子であり且つＶjｃtは、接合毎の電圧である。調整可能範囲は、この条件により制限される。
【００４４】
図５は、バイアス電圧による周波数変調（別の６０μｍのメサ・サンプル）を示す。ここで、発光周波数ｆは殆どメサの幅により決定されるが、バイアスによっても連続的に調節され得る。この場合、Δｆ／ｆ＝５．７％である。観察された〜１０ＧＨｚ（ＦＷＨＭ）の線幅は、ＦＴ−ＩＲ分光器の分解能７．５ＧＨｚにより相当に制限される。即ち、図５は、バイアス電圧による周波数変調の現時点において最良の例（別の６０μｍのメサ・サンプル）を示している。この場合、調整可能範囲Δｆは、ｆの５．７％である。観察された〜１０ＧＨｚ（ＦＷＨＭ）の線幅は、ＦＴ−ＩＲ分光器の分解能７．５ＧＨｚにより相当に制限される。
【００４５】
これまで、ＴＨｚ放射線の供給源として、半導体ダイオード技術、非線形光学機器、ジャイアントパルス電流切換え、量子カスケード・レーザ、および量子ドットなどを開発すべく多大な努力が為されてきた。現在、量子カスケード・レーザの最低の発光周波数は、〜０．５ｍＷの連続波発光パワーにより略々１．６ＴＨｚである。此処で記述されるＬＥＳは、これもまたコンパクトな固体供給源が最も不足している範囲である０．５ＴＨｚ〜１．５ＴＨｚの周波数範囲において極めて優れている。ここに示した結果は、ＬＥＳは商的用途の幾つかに対する要件を既に満足していることを示す。今後、材料およびメサ構造、アレイ形成および焦点調整技術などの最適化により、周波数、強度、周波数純度などにおける性能は相当に向上される余地を有する。
【００４６】
以上詳しく説明したように、本発明に係る指向性を有するテラヘルツ帯域の電磁波発振装置は、多重積層型固有ジョセフソン接合を有するＢＳＣＣＯ超伝導体の単結晶体であり、前記ＢＳＣＣＯ超伝導体のｃ軸が高さ方向となるように形成されている矩形平面メサ構造を発振手段とし、前記矩形平面メサ構造より、前記矩形平面メサ構造の水平方向から上方に所定角傾いた方向に放射される電磁波を利用する。ここで、この所定角は、その中心角を６０度とし、５２．５乃至６７．５度の範囲である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、指向性を有するテラヘルツ帯電磁波発振装置に関するものであり、物理化学的な分光測定器、種々の分子、高分子、タンパク質などの同定、精緻なイメージング分野、医療及び診断装置、航空宇宙又は防衛分野、高速度通信等に幅広く利用される広範な応用分野において産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係るＳｉ半球レンズを備えたＢＳＣＣＯ発光超伝導体（ＬＥＳ）の概略図を示す。
【図２】本発明に係る指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置のスペクトル特性を示す。
【図３】Ｓｉ半球レンズ無しのＢＳＣＣＯ発光超伝導体（ＬＥＳ）からの発光の分布特性を示す。
【図４】本発明に係る指向性を有するテラヘルツ帯域電磁波発振装置の発光時間安定性を示す。
【図５】バイアス電圧による周波数変調（別の６０μｍのメサ・サンプル）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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