(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの受光素子と、
この２つの受光素子から出力された２つの電気信号ペアを伝播させる差動伝送線路と、
この差動伝送線路から出力された２つの電気信号ペアをそれぞれ別々のアンテナエレメントに給電して空間に放射する平衡型アンテナとを、
半導体基板上に備え、
互いに逆位相の２つの光ビート信号を前記２つの受光素子に入力することを特徴とする電磁波発生器。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁波発生器において、
さらに、前記２つの受光素子と前記差動伝送線路との接続点に接続された２つのバイアス分離回路を備え、
前記バイアス分離回路を介して前記２つの受光素子にＤＣ電圧を印加することを特徴とする電磁波発生器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電磁波発生器おいて、
さらに、互いに逆位相の２つの光ビート信号を前記２つの受光素子に入力する光ビート信号発生器を備えることを特徴とする電磁波発生器。
【請求項４】
請求項３に記載の電磁波発生器おいて、
前記光ビート信号発生器は、
光周波数ｆ１の単一偏波ＣＷ光を出力する第１のＣＷ光源と、
光周波数ｆ２の単一偏波ＣＷ光を出力する第２のＣＷ光源と、
前記光周波数ｆ１の単一偏波ＣＷ光と前記光周波数ｆ２の単一偏波ＣＷ光とを合波して、周波数（ｆ１−ｆ２）の光強度が変調された、互いに逆位相の２つの光ビートを発生させる偏波保持３ｄＢ光カプラとからなることを特徴とする電磁波発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光素子と平衡型アンテナを半導体基板上に集積した電磁波発生器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大容量無線通信装置や電波天文分光装置、分光イメージングシステム、分光センシングシステムなどの分野では、ミリ波、サブミリ波を、小型で広帯域かつ高出力に発生させる電磁波発生器が求められている。
小型で広帯域な電磁波発生器の一つとして、ビート光を受光素子に入力することで電磁波を発生させるフォトミキサがある。フォトミキサ型の電磁波発生器は、光信号を電気信号に変換する受光素子と、変換された電気信号を空間に放射するアンテナとを集積することによって実現され、半導体基板上に受光素子と平衡型アンテナとを集積した構成が良く用いられる（非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００３】
図６、図７は、受光素子と平衡型アンテナとを半導体基板上に作成した従来の電磁波発生器の構成を示す平面図である。図６、図７において、１００は半導体基板、１０１は平衡型アンテナ、１０２，１０３は平衡型アンテナ１０１を構成するアンテナエレメント、１０４は受光素子、１０５，１０６はＤＣバイアス端子、１０７，１０８はＤＣバイアス端子１０５，１０６とアンテナエレメント１０２，１０３とを接続する配線、１０９，１１０はチョークフィルタである。図６、図７に示すように、受光素子１０４のアノードを一方のアンテナエレメント１０２に接続し、受光素子１０４のカソードを他方のアンテナエレメント１０３に接続してアンテナを励振することにより、電磁波を発生させることができる。
受光素子１０４から得られる電気信号の電流振幅は、光変調振幅に比例する。また、電磁波の放射パワーは、電気信号の電流振幅の２乗に比例する。したがって、光入力パワーを上げることで電磁波の放射パワーを上げることが可能である。
【０００４】
受光素子であるフォトダイオードは、一般に、アノード−カソード間にＤＣ電圧を印加することによってフォトダイオード内部に空乏層を形成することによって広帯域動作が可能になる。図６、図７に示した例においては、半導体基板１００上にＤＣバイアス端子１０５，１０６を形成し、アンテナエレメント１０２，１０３にバイアス分離回路を通じてＤＣバイアス端子１０５，１０６を接続することでＤＣ電圧の印加を可能にしている。
また、フォトダイオードは一般に、光信号によって生じるＤＣ光電流を外部回路を通じてアノードからカソードに流すことによって広帯域動作が可能になる。図６、図７に示した例においては、ＤＣバイアス端子１０５，１０６に外部ＤＣ電源を接続してＤＣ光電流をフォトダイオードのアノードからカソードに流すことで広帯域動作を可能としている。
【０００５】
ここで、バイアス分離回路は、高周波電流を遮断してＤＣ電流のみを通す役割を有している。例えば非特許文献１では、バイアス分離回路として、配線幅を狭くして高インピーダンス化した配線（図６の配線１０７，１０８）を用いている。また、非特許文献２では、バイアス分離回路として、チョークコイル（図７のチョークフィルタ１０９，１１０）を用いている。また、非特許文献１では、平衡型アンテナとして、ログペリオディックアンテナ（図６の平衡型アンテナ１０１）を用いている。非特許文献２では、平衡型アンテナとして、ツインダイポールアンテナ（図７の平衡型アンテナ１０１）を用いている。いずれのアンテナも、アースに対して対称の形を持つ平衡型アンテナである。
【０００６】
図８は、従来のフォトミキサ型の電磁波発生器の小信号等価回路を示す図である。受光素子１０４をモデル化のために単純化すると、電流源ｉ0、接合容量Ｃj及び直列抵抗Ｒsで表すことができる。また、平衡型アンテナ１０１は、アンテナの入力抵抗をＲaとすると、２つの入力端子とアースとの間にＲa／２の抵抗を持つ回路として表現できる。また、バイアス分離回路として理想的な高インピーダンス素子を用いると仮定すると、バイアス分離回路を小信号等価回路に含む必要はない。このときの、周波数ｆにおけるアンテナからの放射電力Ｐaを計算すると、次式のように求まる。
Ｐa＝ｉ02Ｒa／（１＋（２πｆＣj（Ｒa＋Ｒs））2）                ・・・（１）
【０００７】
式（１）は、受光素子１０４の接合容量Ｃjと抵抗Ｒa＋Ｒsとの積、すなわちＣＲ時定数によって、周波数が高くなるほど放射電力Ｐaが低下することを示している。放射電力Ｐaが３ｄＢ低下する周波数ｆ3dBを計算すると、次式のように求まる。
ｆ3dB＝１／（２πＣj（Ｒs＋Ｒa））                              ・・・（２）
【０００８】
ここで、共振型アンテナの場合は一般にリアクタンス成分が存在するが、簡単のために共振周波数近傍における応答を考えることとし、アンテナの入力インピーダンスは入力抵抗のみで表されるものと仮定した。また、損失抵抗は放射抵抗に対して十分に小さいものし、アンテナの放射抵抗は入力抵抗Ｒaと等しいものと仮定した。また、受光素子１０４の周波数応答特性は、受光素子内部でのキャリア走行時間によっても変化するが、特定の周波数における小信号応答特性に注目する場合にはキャリア走行時間は一定であるので考慮の対象外としてよい。
具体的な計算例としてＣj＝１０ｆＦ、Ｒs＝１０Ω、Ｒa＝７３Ω、と仮定すると、周波数ｆ3dBは１９２ＧＨｚとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】H.Ito，T.Furuta，Y.Hirota，T.Ishibashi，A.Hirata，T.Nagatsuma，H.Matsuo，T.Noguchi and M.Ishiguro，“Photonic millimetre-wave emission at 300 GHz using an antenna-integrated uni-travelling-carrier photodiode”，Electronics Letters，vol.38，No.17，pp.989-990，2002
【非特許文献２】F.Nakajima，T.Furuta and H.Ito，“High-power continuous-terahertz-wave generation using resonant-antenna-integrated uni-travelling-carrier photodiode”，Electronics Letters，vol.40，No.20，pp.1297-1298，2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の技術を用いる場合、上述の式（２）によって帯域が制限されてしまい、さらなる広帯域化を図ることが難しい、という課題があった。
また、従来の技術を用いる場合、上述のようにアンテナエレメントにバイアス分離回路を接続する必要があるが、理想的なバイアス分離回路を形成するのは困難であるために、バイアス分離回路がエレメントの一部として作用してアンテナの共振周波数が設計値からずれてしまう、という課題があった。
また、従来の技術を用いる場合、受光素子の直近にアンテナエレメントを形成するために、アンテナエレメントが受光領域と重なる場合、光が遮られて受光感度が低下してしまう場合がある、という課題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、電磁波の広帯域化と高出力化が可能になり、アンテナの設計を容易にすることができ、受光感度の低下を抑制することができる電磁波発生器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】
【００１２】
本発明の電磁波発生器は、２つの受光素子と、この２つの受光素子から出力された２つの電気信号ペアを伝播させる差動伝送線路と、この差動伝送線路から出力された２つの電気信号ペアをそれぞれ別々のアンテナエレメントに給電して空間に放射する平衡型アンテナとを、半導体基板上に備え、互いに逆位相の２つの光ビート信号を前記２つの受光素子に入力することを特徴とするものである。
また、本発明の電磁波発生器の１構成例は、さらに、前記２つの受光素子と前記差動伝送線路との接続点に接続された２つのバイアス分離回路を備え、前記バイアス分離回路を介して前記２つの受光素子にＤＣ電圧を印加することを特徴とするものである。
また、本発明の電磁波発生器の１構成例は、さらに、互いに逆位相の２つの光ビート信号を前記２つの受光素子に入力する光ビート信号発生器を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の電磁波発生器の１構成例において、前記光ビート信号発生器は、光周波数ｆ１の単一偏波ＣＷ光を出力する第１のＣＷ光源と、光周波数ｆ２の単一偏波ＣＷ光を出力する第２のＣＷ光源と、前記光周波数ｆ１の単一偏波ＣＷ光と前記光周波数ｆ２の単一偏波ＣＷ光とを合波して、周波数（ｆ１−ｆ２）の光強度が変調された、互いに逆位相の２つの光ビートを発生させる偏波保持３ｄＢ光カプラとからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、電磁波の広帯域化と高出力化が可能になり、アンテナの設計を容易にすることができ、受光感度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る電磁波発生器の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る光ビート信号発生器の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る電磁波発生器の小信号等価回路を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る電磁波発生器の動作原理を説明するための小信号等価回路図である。
【図５】従来の電磁波発生器と本発明の実施の形態に係る電磁波発生器におけるアンテナからの放射電力の周波数依存性を示す図である。
【図６】従来の電磁波発生器の構成を示す平面図である。
【図７】従来の電磁波発生器の構成を示す平面図である。
【図８】従来の電磁波発生器の小信号等価回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態の詳細を図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る電磁波発生器の構成を示す回路図である。
本実施の形態の電磁波発生器は、それぞれフォトダイオードからなる２つの受光素子１−１，１−２と、２つの受光素子１−１，１−２のアノードに接続された差動伝送線路２と、アンテナエレメント３−１，３−２が差動伝送線路２に接続された平衡型アンテナである半波長ダイポールアンテナ４と、ＤＣバイアス端子５−１，５−２，６−１，６−２と、ＤＣバイアス端子５−１，５−２と受光素子１−１，１−２のアノードとの間を接続するバイアス分離回路７−１，７−２と、ＤＣバイアス端子６−１，６−２と受光素子１−１，１−２のカソードとの間を接続するバイアス分離回路８−１，８−２とを、半導体基板９上に形成したものである。
【００１６】
バイアス分離回路７−１，７−２は、高周波電流を遮断すると共に、図示しない外部ＤＣ電源からＤＣバイアス端子５−１，５−２を介して供給されるＤＣ電圧を受光素子１−１，１−２のアノードに印加する役割を有している。バイアス分離回路７−１，７−２としては、例えばチョークコイルがある。また、バイアス分離回路８−１，８−２は、受光素子１−１，１−２のカソードとアースとを所望の周波数領域で短絡すると共に、受光素子１−１，１−２のカソードからＤＣバイアス端子６−１，６−２を介して外部ＤＣ電源へＤＣ電流のみを通す役割を有している。バイアス分離回路８−１，８−２は、例えばＤＣバイアス端子６−１，６−２と受光素子１−１，１−２のカソードとの間に設けられたチョークコイルと、受光素子１−１，１−２のカソードとアースとの間に設けられたキャパシタとから構成される。
【００１７】
図１において、互いに逆位相で光強度が変調された光ビート信号Ｌ１と光ビート信号Ｌ２を受光素子１−１と受光素子１−２にそれぞれ入力すると、互いに逆位相の電気信号Ｅ１と電気信号Ｅ２が受光素子１−１，１−２のアノード側からそれぞれ出力される。受光素子１−１，１−２から出力された２つの電気信号Ｅ１，Ｅ２のペアは、差動伝送線路２を伝播し、半波長ダイポールアンテナ４に給電されることにより、半波長ダイポールアンテナ４から電磁波として空間に放射される。差動伝送線路２の特性インピーダンス（差動インピーダンス）を、半波長ダイポールアンテナ４の入力インピーダンスに整合させると、効率よくアンテナに給電することが可能になる。
【００１８】
図２は、本実施の形態の電磁波発生器に、互いに逆位相で光強度が変調された光ビート信号Ｌ１，Ｌ２を入力するために用いられる光ビート信号発生器の例を示すブロック図である。光ビート信号発生器は、ＣＷ（Continuous Wave：連続波）光源１０−１，１０−２と、偏波保持３ｄＢ光カプラ１１と、レンズ１２−１，１２−２とから構成される。
【００１９】
ＣＷ光源１０−１から出力される光周波数ｆ１の単一偏波ＣＷ光とＣＷ光源１０−２から出力される光周波数ｆ２（ｆ１≠ｆ２）の単一偏波ＣＷ光とを、偏波保持３ｄＢ光カプラ１１で合波すると、周波数（ｆ１−ｆ２）で光強度が変調された、互いに逆位相の２つの光ビート信号Ｌ１，Ｌ２が発生する。偏波保持３ｄＢ光カプラ１１から出力された光ビート信号Ｌ１，Ｌ２を、レンズ１２−１，１２−２によってそれぞれ受光素子１−１，１−２に等距離で導くことにより、本実施の形態に好適な光ビート信号発生器とすることが可能になる。
【００２０】
図３は、本実施の形態の電磁波発生器の小信号等価回路を示す図であり、図８と同様の構成要素には同一の符号を付してある。差動伝送線路２の差動インピーダンスＺdiffを半波長ダイポールアンテナ４の入力抵抗Ｒaと等しくすることで、差動伝送線路２と半波長ダイポールアンテナ４のインピーダンスが整合し、広帯域動作が可能になる。
【００２１】
図４は、本実施の形態の電磁波発生器の動作原理を説明するための小信号等価回路図であり、図３における差動伝送線路２の偶モードの特性インピーダンスと奇モードの特性インピーダンスが等しい場合を想定したものである。図４では、差動伝送線路２を伝送線路２−１と伝送線路２−２で表している。
【００２２】
図８に示した従来の電磁波発生器の小信号等価回路と図４とを比較すると、１つの受光素子から見たアンテナ側のインピーダンスが異なることが分かる。すなわち、従来の電磁波発生器では、受光素子１０４にとっての負荷インピーダンスはＲaであるが、本実施の形態では、各受光素子１−１，１−２にとっての負荷インピーダンスはそれぞれＲa／２となる。このように従来と比べて受光素子にとっての負荷インピーダンスが低いことは、ＣＲ時定数によって周波数が高くなるほど放射電力Ｐaが低下する現象が、本実施の形態では緩和されることを意味する。
【００２３】
本実施の形態における、アンテナからの放射電力Ｐaと、放射電力Ｐaが３ｄＢ低下する周波数ｆ3dBとを計算すると、次式のように求まる。
Ｐa＝ｉ02Ｒa／（１＋（２πｆＣj（Ｒs＋Ｒa／２））2）            ・・・（３）
ｆ3dB＝１／（２πＣj（Ｒs＋Ｒa／２））                          ・・・（４）
【００２４】
図５は、従来の電磁波発生器と本実施の形態の電磁波発生器におけるアンテナからの放射電力Ｐaの周波数依存性を示す図である。図５において、５０は従来の電磁波発生器の放射電力Ｐaを示し、５１は本実施の形態の電磁波発生器の放射電力Ｐaを示している。従来の電磁波発生器の放射電力Ｐaの計算には式（１）を用い、本実施の形態の電磁波発生器の放射電力Ｐaの計算には式（３）を用いた。いずれの計算も、ｉ0＝３．７ｍＡ（電流の実効値）、Ｃj＝１０ｆＦ、Ｒs＝１０Ω、Ｒa＝７３Ωを計算パラメータとして仮定した。
【００２５】
図５から明らかなように、本実施の形態によれば、周波数応答特性の広帯域化を実現することができる。図５の計算に用いた計算パラメータによると、式（４）から求められる周波数ｆ3dBは３４２ＧＨｚとなるので、従来の電磁波発生器と比較して約１．８倍の広帯域化を実現できる。特に、周波数が高くなるほど、従来の電磁波発生器の放射電力Ｐaの減少が顕著になり、本実施の形態の電磁波発生器の放射電力Ｐaの方が減少が緩やかなので、本実施の形態では高出力化の効果も大きいことが分かる。
【００２６】
以上に述べたように、本実施の形態によれば、受光素子１−１，１−２から見たアンテナ側の負荷インピーダンスが下がるため、広帯域化が可能になると共に、特に高い周波数領域における高出力化が可能になる。また、本実施の形態では、バイアス分離回路７−１，７−２を受光素子１−１，１−２のアノードと差動伝送線路２との接続点に接続することにより、アンテナエレメント３−１，３−２に不要な付加回路が接続されることがなくなるため、アンテナ４の共振周波数の設計が容易になる。さらに、本実施の形態では、受光素子１−１，１−２とアンテナエレメント３−１，３−２とを差動伝送線路２で接続することにより、アンテナエレメント３−１，３−２を受光素子１−１，１−２から遠ざけることが可能になるため、受光領域に入射した光をそのまま受光素子１−１，１−２に導くことが可能になり、受光感度の低下を抑制することが可能になる。
【００２７】
なお、本実施の形態では、平衡型アンテナとして半波長ダイポールアンテナを例にして説明したが、ログペリオディックアンテナやログスパイラルアンテナ、ボウタイアンテナなど、他の平衡型アンテナであっても良い。また、差動伝送線路の差動インピーダンスをアンテナの入力インピーダンスに整合させる場合について説明したが、差動インピーダンスを意図的にアンテナの入力インピーダンスと異なる値にし、定在波を発生させることで所望の周波数においてさらなる高出力化を図っても良い。また、受光素子から見た負荷インピーダンスを、受光素子のキャリア走行時間を加味した上で所望の周波数特性が得られる値にするために、差動伝送線路の長さと差動インピーダンスを設計しても良い。また、アノードを差動伝送線路に、カソードをバイアス分離回路に接続する場合について説明したが、カソードを差動伝送線路に、アノードをバイアス分離回路に接続しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、大容量無線通信装置や電波天文分光装置、分光イメージングシステム、分光センシングシステムなどの分野における電磁波発生器に適用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１−１，１−２…受光素子、２…差動伝送線路、３−１，３−２…アンテナエレメント、４…半波長ダイポールアンテナ、５−１，５−２，６−１，６−２…ＤＣバイアス端子、７−１，７−２，８−１，８−２…バイアス分離回路、９…半導体基板、１０−１，１０−２…ＣＷ光源、１１…偏波保持３ｄＢ光カプラ、１２−１，１２−２…レンズ。
【図１】
0005647096.tif 000002
【図２】
0005647096.tif 000003
【図３】
0005647096.tif 000004
【図４】
0005647096.tif 000005
【図５】
0005647096.tif 000006
【図６】
0005647096.tif 000007
【図７】
0005647096.tif 000008
【図８】
0005647096.tif 000009