(57)【要約】【課題】従来の発振素子では低周波領域で素子間アイソレーションが確保できず、寄生発振の抑制が難しい構成であったが、それを解決できる構成を有する発振素子を提供する。 【解決手段】発振素子は、電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有する。共振構造は、電磁波を発生させる負性抵抗素子１０７と、負性抵抗素子に電気的に接した第一の導体１０３と、負性抵抗素子に電気的に接して第一の導体の反対側に設けられた第二の導体１０４と、を備える。第一の導体と容量結合する金属部１０５を用いて、隣接した共振構造の間が接続され、共振構造が、発振される電磁波の波長以下、又は波長の整数倍の距離を隔てて配置されている。【選択図】図１
2014200065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有する発振素子であって、
前記共振構造は、
電磁波を発生させるための負性抵抗素子と、
前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられた第一の導体と、
前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられ、該負性抵抗素子を介して前記第一の導体の反対側に設けられた第二の導体と、を備え、
前記第一の導体と容量結合する金属部を用いて、隣接した前記共振構造の間が接続され、前記共振構造が、発振される電磁波の波長以下、又は波長の整数倍の距離を隔てて配置されていることを特徴とする発振素子。
【請求項２】
前記共振構造が、発振される電磁波の波長の半分以下の距離を隔てて配置されていることを特徴とする請求項１記載の発振素子。
【請求項３】
前記共振構造は、半波長共振器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振素子。
【請求項４】
前記金属部は電気長π又は２πの長さの伝送線であること特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項５】
電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有する発振素子であって、
前記共振構造が、
電磁波を発生させるための負性抵抗素子と、
前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられた第一の導体と、を備え、
前記第一の導体と誘導結合する金属部を用いて、隣接した前記共振構造の間が接続され、前記共振構造が、発振される電磁波の波長以下、又は波長の整数倍の距離を隔てて配置されていることを特徴とする発振素子。
【請求項６】
前記共振構造が、発振される電磁波の波長の半分以下の距離を隔てて配置されていることを特徴とする請求項５に記載の発振素子。
【請求項７】
前記共振構造は、四分の一波長共振器であることを特徴とする請求項５又は６に記載の発振素子。
【請求項８】
前記金属部は電気長π又は２πの長さの伝送線であること特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項９】
前記負性抵抗素子は、共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項１０】
前記第一及び第二の導体、又は前記第一の導体は、それぞれ、金属で構成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項１１】
前記第一及び第二の導体、又は前記第一の導体は、アンテナの一部をなすことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項１２】
前記第一及び第二の導体、又は前記第一の導体は、プラズモン導波路の一部をなすことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項１３】
前記電磁波の周波数は３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域の一部を含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の発振素子。
【請求項１４】
電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有する発振素子であって、
前記共振構造は、
電磁波を発生させるための負性抵抗素子と、
前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられた第一の導体と、
前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられ、該負性抵抗素子を介して前記第一の導体の反対側に設けられた第二の導体と、を備え、
前記第一の導体と容量結合する金属部を用いて、隣接した前記共振構造の間が接続され、前記共振構造が、発振される電磁波の波長以下、又は波長の整数倍のピッチで配置されていることを特徴とする発振素子。
【請求項１５】
電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有する発振素子であって、
前記共振構造が、
電磁波を発生させるための負性抵抗素子と、
前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられた第一の導体と、を備え、
前記第一の導体と誘導結合する金属部を用いて、隣接した前記共振構造の間が接続され、前記共振構造が、発振される電磁波の波長以下、又は波長の整数倍のピッチで配置されていることを特徴とする発振素子。
【請求項１６】
前記共振構造が、発振される電磁波の波長の半分以下のピッチで配置されていることを特徴とする請求項１４又は１５記載の発振素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイ型の発振素子に関する。特には、例えば、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）の周波数帯域のうちの少なくとも一部の周波数の成分を含む電磁波（以下、テラヘルツ波とも記す）を出力するアレイ型の発振器、発振素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
共振器と負性抵抗素子を有する構造は、電磁波の発振素子として有用である。例えば、共鳴トンネルダイオード等の負性抵抗素子とアンテナ等を用いて、テラヘルツ波を発生させる発振素子や発振器が知られている。こうした発振素子の発振出力は、発振する電磁波の周波数の高周波化にともない、低下する傾向がみられ、例えば、１００ＧＨｚ前後ではｍＷ級の程度の出力が得られるが、１ＴＨｚ前後ではμＷ級まで出力が低下してしまう。発振出力が低下する原因の一つとして、発振周波数の高周波化に伴う負性抵抗素子の接合面積の微細化に起因するものがある。
【０００３】
一般に、負性抵抗素子では、接合容量Ｃｊと、負性抵抗素子から共振器までの抵抗に相当する直列抵抗ＲｓとによってＲＣローパスフィルタの機能を形成することが知られている。つまり、ＲＣローパスフィルタの機能により信号の高周波成分が遮断され、カットオフ周波数ｆｃ（＝（２π×ＲｓＣｊ）−１）よりも高い周波数帯の電磁波については、発振できない構造である。そのため、発振素子により発振する周波数帯域の上限となるカットオフ周波数を、発振する電磁波の周波数帯域よりも高くする必要がある。ここで、接合容量Ｃｊは負性抵抗素子の接合面積に比例するため、カットオフ周波数ｆｃを高める方法の一つとして接合面積を小さくする方法がある。一方で、負性抵抗素子に供給できるバイアス電源の電力も、負性抵抗素子の接合面積に比例する。ゆえに、発振周波数の高周波化にともなって、負性抵抗素子に供給できる電力も減少してしまい、発振出力が低下してしまっていた。
【０００４】
電磁波応用のための十分な出力を得るために、アレイ化は有効な一手法として知られている。特許文献１は、複数の負性抵抗素子と空洞共振器の組がアレイ化された発振素子の構成例を開示している。図１４に示す様に、基板２上には複数の空洞共振器３が設けられており、各空洞共振器３には、それぞれ、負性抵抗素子４が設けられている。バイアス電源からの電力供給はバイアス線路５を用いており、複数の負性抵抗素子４と電気的に接続されている。こうした発振素子では、或る負性抵抗素子が発振すると隣の負性抵抗素子に同期がかかり、同位相で発振する現象を利用して、個々の素子１から出力された電力を空間合成（電力合成）することが出来る。比較的、小型な構造でありながら、発振出力として大きな発振出力（電力）を得ることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２９５３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の発振素子では、隣り合う負性抵抗素子同士がバイアス線路で直接繋がっている。そのために、低周波領域で素子間アイソレーションが確保できにくく、寄生発振の抑制が容易ではない構成であった。ここでの寄生発振とは、所望の周波数とは異なる低周波側の周波数帯における寄生的な発振のことを指す。こうした寄生発振は所望の周波数における発振出力を低下させるため、典型的な負性抵抗素子を用いた発振器、発振素子において、構造に伴う寄生発振の抑制は避けることのできない課題となっている。本発明は、こうした課題について鑑みたものである。その目的は、隣り合う負性抵抗素子同士を同位相で発振させるために効果的であり、かつ所望の発振周波数より低周波側の周波数帯においてアイソレーションを与える素子間構造を備える発振素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発振素子は、電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有する発振素子であって、前記共振構造は、電磁波を発生させるための負性抵抗素子と、前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられた第一の導体と、前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられ、該負性抵抗素子を介して前記第一の導体の反対側に設けられた第二の導体と、を備える。そして、前記第一の導体と容量結合する金属部を用いて、隣接した前記共振構造の間が接続され、前記共振構造が、発振される電磁波の波長以下、又は波長の整数倍の距離を隔てて配置されている。或いは、本発明の発振素子は、電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有する発振素子であって、前記共振構造が、電磁波を発生させるための負性抵抗素子と、前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられた第一の導体と、を備える。そして、前記第一の導体と誘導結合する金属部を用いて、隣接した前記共振構造の間が接続され、前記共振構造が、発振される電磁波の波長以下、又は波長の整数倍の距離を隔てて配置されている。
【０００８】
また、本発明の発振素子は、電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有する発振素子であって、前記共振構造は、電磁波を発生させるための負性抵抗素子と、前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられた第一の導体と、前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられ、該負性抵抗素子を介して前記第一の導体の反対側に設けられた第二の導体と、を備える。そして、前記第一の導体と容量結合する金属部を用いて、隣接した前記共振構造の間が接続され、前記共振構造が、発振される電磁波の波長以下、又は波長の整数倍のピッチで配置されている。或いは、本発明の発振素子は、電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有する発振素子であって、前記共振構造が、電磁波を発生させるための負性抵抗素子と、前記負性抵抗素子に電気的に接して設けられた第一の導体と、を備える。そして、前記第一の導体と誘導結合する金属部を用いて、隣接した前記共振構造の間が接続され、前記共振構造が、発振される電磁波の波長以下、又は波長の整数倍のピッチで配置されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、テラヘルツ波等の電磁波の、負性抵抗素子を用いたアレイ型の発振器、発振素子において、電力合成による発振出力（電力）を得ると共に寄生発振を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一の実施形態に発振素子の構造を示す模式図。
【図２】第一の実施形態の変形例に係るに発振素子の構造を示す模式図。
【図３】第一の実施形態の変形例に係るに発振素子の構造を示す模式図。
【図４】第二の実施形態に発振素子の構造を示す模式図。
【図５】第二の実施形態の変形例に係るに発振素子の構造を示す模式図。
【図６】実施例１に係る発振素子の構造を示す模式図、及び電磁界シミュレータによるアドミッタンス計算結果を示すグラフ。
【図７】素子ピッチ（ｄ）とArray Factor (AF)の相関を説明する図。
【図８】本発明の実施例２を説明する図。
【図９】本発明の実施例２を説明する図。
【図１０】本発明の発振素子の設計例を説明する図。
【図１１】本発明の実施例２を説明する図。
【図１２】本発明の実施例２を説明する図。
【図１３】本発明の実施例２を説明する図。
【図１４】従来例に係る発振素子の構造を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の発振素子は、電磁波を共振させるための共振構造を基板上に複数有し、共振構造は、負性抵抗素子と、負性抵抗素子に互いに反対側から電気的に接した第一及び第二の導体と、を備える。そして、電力合成による発振出力を得ると共に寄生発振を抑制することができる様に、第一の導体と容量結合或いは誘導結合する金属部を用いて、隣接した共振構造の間が接続されている。
【００１２】
以下、本発明の原理を説明する。本発明の一実施形態では、素子間構造としては金属を選択する。アレイ型の負性抵抗発振器、発振素子では、通常、前記金属は、その長さが発振波長λ0に相当する電気長２π程度の伝送路が選択される。これは、電磁波を発生させるための負性抵抗素子を同位相で発振させるためである。発振周波数をω0とすると、ω0未満の周波数帯において、前記金属部はキャパシティブ要素にもインダクティブ要素にもなり得る。さらに、共振構造、すなわち、分布定数型の共振器は、最低次の共振周波数より下の低周波領域においては、キャパシタかインダクタとして表現される。典型的な負性抵抗素子の配置に依り、パッチアンテナ、プラズモン導波路などの二導体が対向するタイプの共振器はキャパシティブ要素になり、導波管、空洞共振器などの一体の導体で形成されるタイプの共振器はインダクティブ要素になる。これらの関係から、素子間構造としての前記金属部を共振器に直接接続する際、ω0未満の周波数帯において何らかの共振周波数が生じ、寄生発振を発生させてしまう恐れがあった。したがって、金属による素子間の直接接続は寄生発振防止のためには避けたほうが好ましい。アレイ型の負性抵抗発振器、発振素子において、素子間構造としての金属を活用する一つの方法は、容量結合あるいは誘導結合（あるいは磁界結合）を用いることである。これは、直接接続では難しい低周波領域における素子間アイソレーションを確保することが出来るからである。また、これらは、共振構造の低周波領域におけるリアクタンスに依って、次のように使い分けるのが好ましい。
【００１３】
・（直流インピーダンスＺ（ω→０）が開放の二導体を含む半波長共振器の場合）
こうした共振器は、典型的な場合、低周波領域でキャパシタである。そこで、金属部と共振器とで共振周波数を作らないように、共振構造内の負性抵抗素子間の金属部は容量結合が好ましい。
・（直流インピーダンスＺ（ω→０）が短絡の一導体を含む四分の一波長共振器の場合）
こうした共振器は、典型的な場合、低周波領域でインダクタである。そこで、金属部と共振器とで共振周波数を作らないように、共振構造内の負性抵抗素子間の金属部は誘導結合が好ましい。
【００１４】
本発明は、こうした電気回路的な検討に基づいて、テラヘルツ波（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域の一部を含む電磁波）等の電磁波を発振するアレイ型の負性抵抗発振器、発振素子を開示するものである。次のような実施形態及び実施例がある。
【００１５】
（第一の実施形態）
第一の実施形態に係る発振素子について、図１を用いて説明する。図１は本実施形態の発振素子を示す模式図であり、上側の（ａ）が上面図、下側の（ｂ）が断面図である。本実施形態は、簡単のために二素子のアレイ発振素子を例示するものである。通常、電力合成を目的としたアレイ型発振素子では、個別の発振素子の間隔を、発振電磁波の真空中の波長に換算した波長以下、又は波長の整数倍、より好ましくは半波長以下にする。本実施形態では、半波長以下となる様に配置している。
【００１６】
第一の実施形態において、１０１、１０２は個別の発振素子である。アンテナの一部をなす第一の導体である金属層１０３、誘電体層１０８、アンテナの一部をなす第二の導体である接地金属層１０４で構成されたマイクロストリップ共振器の形状に依って個別の発振周波数が制御される。発振を維持するための電磁波利得は負性抵抗素子１０７が生成する。個別の発振素子１０１、１０２は同位相で同期して発振するため、発振周波数はω0に限りなく近くなる様に設計されるべきである。そこで、半波長共振器を含む個別の発振素子の形状は、同様な形状が好ましい。負性抵抗素子１０７の形状や特性も同等なものを用いると好ましい。こうした個別の発振素子を互いに同位相で同期させて発振させるための素子間構造が、マイクロストリップライン１０５である。
【００１７】
リンク構造となる金属部の伝送線であるマイクロストリップライン１０５は、端から端までの金属線１０５に沿った長さが、同期後の発振周波数ω0の電気長で２πになるように選択すると好ましい。電気長で２πとは、周囲の構造における実効的な誘電率で換算される実効的な発振波長λ0と等しい長さである。２πを選択するのは同位相で同期させて発振させるためである。逆位相で同期させる場合は、πあるいは３πでもよい。金属線１０５の長さについては、正確に２πではなくても同期させることが可能である。金属線１０５で形成される素子間の結合の大きさにもよるが、典型的には２π±１０％程度は許容範囲である。なお、この許容範囲は、金属線１０５を使わないで結合させるときよりも大きい。このような電気長は、電磁界シミュレータ等で容易に確認することが出来る。
【００１８】
発振素子１０１の発振出力は、一部、マイクロストリップライン１０５を通じて隣の発振素子１０２にほぼ同位相で入力されることになる。一方で、発振素子１０２の発振出力は、一部、マイクロストリップライン１０５を通じて隣の発振素子１０１にほぼ同位相で入力されることになる。本実施形態のアレイ発振素子は、こうした相互注入同期現象を期すためにマイクロストリップライン１０５を導入している。
【００１９】
本実施形態の金属線１０５は、共振構造の金属層１０３と容量結合していることが特徴である。これらは、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）領域１０６において、絶縁層１０９を介して容量を形成するのみで、ＤＣ開放である。これにより、発振周波数ω0の帯域において、素子間結合の大きさは直接結合と変わらずに大きく確保することが出来る。さらに、ω0より下の低周波領域において、結合の大きさは小さくなるので素子間アイソレーションが確保できることになる。本実施形態の金属線１０５は、このような性質を有するため好ましい。さらに言えば、ω0より下の低周波領域において端部開放のマイクロストリップライン１０５はキャパシティブ要素になる。それゆえ、素子１０１側の負性抵抗素子１０７から見て、金属線１０５はキャパシティブ要素であり、素子１０２側の共振構造の金属層１０３もキャパシタであるから、低周波領域において懸念している共振周波数自体、生成されることもない。したがって、低周波領域における寄生発振を抑制することが可能となる。
【００２０】
本実施形態は、もちろん二素子のアレイ発振素子には限られない。例えば、図２のようなパッチアンテナ共振器を用いた９素子アレイ（２０１ａ，２０１ｂ，・・・，２０２ａ，２０２ｂ，・・・；それぞれが個別の発振素子）を構成してもよい。パッチアンテナは、金属パッチ２０３と接地金属２０４の対向した二金属で構成されるため、第一の実施形態をそのまま適用することが出来る。すなわち、ストリップ２０５は、共振器の金属２０３とは容量結合している。また、それぞれのストリップ２０５の電気長は２π付近である。したがって、全ての負性抵抗素子２０７を同相で同期することが可能となる。なお、ストリップ２０５の曲げによる損失が小さくなるよう、角にはマイクロストリップベンド２０８を配置している。以上が基板２００上の複数素子アレイの例となるが、このように沢山の素子を並べると、合成された電力が大きくなるだけでなく、鋭い指向性２０９が得られるため好ましい。
【００２１】
電力合成を目的としたアレイ型の発振素子は、個別の発振素子の間隔を、発振電磁波の真空中の波長に換算した波長以下、又は波長の整数倍、より好ましくは半波長以下にする。言い換えると、個別の発振素子を、発振電磁波の真空中の波長に換算した波長以下、又は波長の整数倍、より好ましくは半波長以下の距離を隔てて配置する。この時、各素子から発振されて遠方界で合成される電力のサイドローブレベルが下がり、指向性の鋭い発振出力を得られる。また、電力合成を目的としたアレイ型発振素子では、個別の発振素子のピッチが電磁波の波長以下又は波長の整数倍に設定されるのが良い。より好ましくは、素子のピッチを半波長以下にすれば、サイドローブレベルの抑制による指向性の鋭い合成電力が遠方界で得られる。本明細書で、発振素子の「間隔」とは、図９（ａ）のｄｘなどの様に、広がりのある素子の縁部間（例えば、対向する縁部間）の距離である。また、発振素子の「ピッチ」とは、図９（ａ）のｘなどの様に、広がりのある素子の対応する部分間（例えば中心部間）の距離である。
【００２２】
図７に、本発明の実施形態の一例として、１０素子リニアアレイの素子間隔とブロードサイド側の鉛直上方におけるArray Factor (AF：アレイファクタ)の相関を示した。アレイファクタはアレイ配置のみで決まる指向性を表し、１以上で自由空間中の観察方向において干渉波が強めあい、電力合成の効果があることを意味する。素子間隔（ｄ/λ0）は、アレイ素子の間隔を真空中の波長で規格化した値である。図７の解析結果から、素子間隔を電磁波の波長以下又は波長の整数倍、好ましくは、素子の間隔を半波長以下に設定すれば、遠方界における電力合成の効果があることが分かる。特に、パッチアンテナなどのマイクロストリップアンテナにおいては、アンテナを真空中の波長以下のピッチで配置するとサイドローブレベルが抑制される。好ましくは、素子のピッチを半波長以下にすれば、サイドローブレベルの抑制によるより指向性の鋭い合成電力が遠方界で得られる。
【００２３】
同様に、図３のようなプラズモン導波路共振器を用いた９素子アレイ（３０１ａ，３０１ｂ，・・・３０２ａ，３０２ｂ，・・・；それぞれが個別の発振素子）を用いてもよい。ここで用いるプラズモン導波路は、両端が発振波長λ0の半波長共振器になっており、第一の導体である金属クラッド３０３と第二の導体である接地金属３０４の対向した二金属で構成される。すなわち、第一及び第二の導体は、プラズモン導波路の一部をなす。負性抵抗素子３０７は、これらの間に挟まれている格好となっている。第一の実施形態を適用し、素子３０１ａと素子３０１ｂとの間には電気長２πの金属ストリップ３０５を配置する。ベンド３０８を有する金属ストリップ３０５は共振器の金属３０３と容量結合している。本実施形態では、金属を用いないで素子間を結合させる方法も併用しており、素子３０１ａと素子３０２ａの間は、磁界結合を利用している。単体のプラズモン導波路発振素子は、単体のパッチアンテナ発振素子より出力が大きく設計出来る反面、指向性が劣る。単体の指向性は、基板３００の面と平行な方向と、垂直な方向の二方向に分割されてしまうからである。しかしながら、このように基板３００上の複数素子アレイとすると、基板３００に平行な指向性は素子間で相殺され、垂直な指向性のみが残り、全体として単指向性とすることができる。さらにいえば、基板３００上において、共振方向における素子３０１ａ，３０１ｂ…を真空中の発振波長の波長以下、又は波長の整数倍、より好ましくは半波長以下の距離を隔てて配置すると、効果的な指向性３０９が得られ、好ましい。したがって、このように配置された基板上のプラズモン導波路素子アレイは好ましい例となる。
【００２４】
（第二の実施形態）
第二の実施形態に係る発振素子について、図４を用いて説明する。図４は本実施形態の発振素子を示す模式図であり、上側の（ａ）が上面図、下側の（ｂ）が断面図に対応する。本実施形態はやはり簡単のための二素子のアレイ発振素子を例示するものである。本実施形態でも、個別の発振素子の間隔は真空中の波長に換算して波長以下、又は波長の整数倍、より好ましくは波長の半分以下に配置されている。
【００２５】
第二の実施形態において、４０１、４０２は個別の発振素子である。一面が開放端の金属壁４０４（４０４ａ，４０４ｂ）で構成された空洞共振器の形状に依って個別の発振周波数が制御され、発振を維持するための電磁波利得は負性抵抗素子４０７が生成する。この共振器は、開放端で電圧が腹となる四分の一波長発振器４０４となる。こうした個別の発振素子を互いに同位相で同期させて発振させるための素子間構造が、同軸線４０５である。同軸線４０５の信号線は接地金属４０４ｂとは絶縁体４０８によって隔てられている。端から端までの金属線４０５に沿った長さが、同期後の発振周波数ω0の電気長πとなるように選択すると好ましい。その場合、発振素子４０１の発振出力は、一部、同軸線４０５を通じて隣の発振素子４０２にほぼ逆位相で入力されることになる。一方で、発振素子４０２の発振出力は、一部、同軸線４０５を通じて隣の発振素子４０１にほぼ逆位相で入力されることになる。本実施形態のアレイ発振素子は、こうした相互注入同期現象を期すために同軸線４０５を導入している。この点は、バイアス供給線を兼用する上記特許文献１の構成とは異なる部分である。
【００２６】
本実施形態の金属線４０５は、共振器４０４ａと誘導結合していることが特徴である。これらは、ループ領域４０６において、空洞共振器４０４ａのＴＭモードとの相互インダクタンスを形成しており、ＤＣ短絡である。発振周波数ω0の帯域においては、素子間結合は大きく確保することが出来る。一方、ω0より下の低周波領域においては、結合の大きさは小さくなるから素子間アイソレーションが確保できることになる。本実施形態の金属線４０５は、このような性質を有するため好ましい。さらに言えば、ω0より下の低周波領域において、端部短絡の同軸線４０５はインダクティブ要素になる。それゆえ、素子４０１側の負性抵抗素子４０７から見て、線４０５はインダクティブ要素であり、素子４０２側の共振器４０４ａもインダクタンスであるから、低周波領域において懸念している共振周波数自体、生成されることもない。したがって、低周波領域における寄生発振を抑制することが可能となる。なお、図４（ｂ）において、金属壁４０４（４０４ａ，４０４ｂ）の下側は基板になっており、金属壁は、基板を掘り込んだ形態で基板と同材料或いは異種材料で形成されている。
【００２７】
本実施形態も、もちろん二素子のアレイ発振素子には限られない。例えば、図５のような短絡型パッチアンテナ共振器を用いた９素子アレイ（５０１ａ，５０１ｂ，・・・５０２ａ，５０２ｂ，・・・；それぞれが個別の発振素子）を構成してもよい。短絡型パッチアンテナは、金属パッチ５０３と接地金属５０４の対向した二金属を金属スルーホール５０８にて短絡した一体の金属で構成されている。ちょうど、共振方向のλ0/２中央部を幅方向に渡って短絡すると、疑似的にはλ0/４空洞共振器となり、第二の実施形態をそのまま適用することが出来る。すなわち、金属ストリップ５０５は、共振器の金属５０３とは誘導結合している。ただし、ＤＣ短絡でもあるため、金属ストリップ５０５のそれぞれの電気長はπ付近を選択する。これは、ω0より下の低周波領域における端部短絡の金属ストリップ５０５を確実にインダクティブ要素にするためである。金属ストリップ５０５の結合位置は、それぞれ共振器５０３において位相πだけシフトしているため、全ての負性抵抗素子５０７を同相で同期することが可能となる。本実施形態でも、金属を用いないで素子間を結合させる方法も併用しており、素子５０１ａと素子５０２ａの間は、磁界結合を利用している。以上が基板５００上の複数素子アレイの例となる。もちろん、９素子以上の何個の素子でもかまわない。ここでも、効果的な指向性５０９が得られる。
【００２８】
さらに具体的な発振素子について、以下の実施例において説明する。
（実施例１）
第一の実施形態に対応するより具体的な実施例１を説明する。本実施例に係る発振素子のうちの二素子アレイについて、図６を用いて説明する。発振素子を示す上面図の６（ａ）とともに、本実施例では、図６（ｂ）、（ｃ）に示す如く電気回路計算も行っており、上述のような定性的な議論を具体的にして示している。
【００２９】
本実施例は、第一の実施形態をより実際的に構成した一例を示すものである。本実施例のパッチアンテナアレイは、およそ０.５ＴＨｚを発振させるためのものである。設計の詳細は図６（ａ）の通りであって、パッチアンテナ６０３の共振方向の長さは１５０μｍとした。本実施例では正方形パッチを用いた。負性抵抗素子６０７は共振方向の中央から４０μｍだけオフセットさせて配置し、金属パッチ６０３と接地導体６０４とに電気的に接触させた。パッチ６０３と接地導体６０４との間には、テラヘルツ帯で比較的低損失な誘電体（ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を厚さ３μｍで充填した。こうした個別の発振素子６０１、６０２において、金属パッチ６０３と容量接続する幅１２μｍ、全長４４０μｍのマイクロストリップライン６０５は、２回折り曲げた形状を経て隣接した素子間に配した。マイクロストリップライン６０５と金属パッチ６０３との間の容量は６fFに設計し、ＭＩＭ領域６０６の長さは６μｍに設計した。
【００３０】
負性抵抗素子６０７としては、ＩｎＰ基板に格子整合する共鳴トンネルダイオードを選択する。共鳴トンネルダイオードには限られず、エサキダイオード、ガンダイオードでもよい。共鳴トンネルダイオード６０７は、例えば、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓによる多重量子井戸構造とｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層を伴って構成される。多重量子井戸構造としては、例えば三重障壁構造を用いる。より具体的には、ＡｌＡｓ（１.３ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（７.６ｎｍ）／ＩｎＡｌＡｓ（２.６ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（５.６ｎｍ）／ＡｌＡｓ（１.３ｎｍ）の半導体多層膜構造で構成する。このうち、ＩｎＧａＡｓは井戸層、格子整合するＩｎＡｌＡｓや非整合のＡｌＡｓは障壁層である。これらの層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープとしておく。この様な多重量子井戸構造は、電子濃度が２×１０１８cm-３のｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層に挟まれる。こうした電気的接点層間の構造の電流−電圧I（V）特性において、ピーク電流密度は２８０kA/cm２であり、約０.７Vから約０.９Vまでが負性抵抗領域となる。ダイオード６０７が直径２μｍのメサ構造の場合、ピーク電流１０mA、負性抵抗−２０Ωが得られる。パッチ６０３の下部に接続された直径２μｍの共鳴トンネルダイオードの接合容量に伴うリアクタンスを考慮すると、発振周波数は約０.５５ＴＨｚとなる。 
【００３１】
このような設計パラメータを考慮し、高周波全電磁界シミュレータＨＦＳＳ  ｖ１２（ａｎｓｏｆｔ社製）を用いてシミュレーションを実施した結果が図６（ｂ）、（ｃ）である。ｙ１１は、素子６０１の負性抵抗素子６０７から見た全構造のアドミッタンスである。ｙ１２は、素子６０１の負性抵抗素子６０７と素子６０２の負性抵抗素子６０７との間の相互アドミッタンスである。ｙｒｔｄは上述のダイオードのアドミッタンスを指す。結合定数に比例する−ｙ１２は、実部が大きく、虚部がゼロ、が理想的である。 
【００３２】
本実施形態の二素子アレイの発振周波数ω0＝０.５５ＴＨｚにおいて、図６（ｂ）に示す様に、Re[ｙ１２]＝−０．０８Ｓである。これは、負性コンダクタンス−０．０５Ｓと比較しても大きな値であり、容量結合でも発振周波数帯の素子間結合が確保できていることが示されている。また、同じく図６（ｂ）に示す様に、Im[ｙ１２]の値はほぼゼロとなっていることから、マイクロストリップライン６０５の電気的長さはほぼ２πであることがわかる。−ｙ１２の偏角がそのまま電気長に相当するものと考えてもよい。 
【００３３】
Im[ｙ１１＋ｙ１２＋ｙｒｔｄ]は、二素子アレイとしての共振周波数を示すもので、ゼロの部分が共振周波数を示している。参考までに、同様の構成において金属ストリップ６０５と金属パッチ６０３が直接繋がっている場合も併せて計算した。図６（ｃ）中、Ｃ．Ｃ.は、本実施例の容量結合を示し、Ｄ．Ｃ．は参考例の直接結合を示すものである。共鳴トンネルダイオードが発振できるのは並列共振周波数である。本実施例の容量結合（Ｃ．Ｃ.）の場合、発振できるのはω0一箇所であり、参考例の直接結合（Ｄ．Ｃ．）が発振できるのはω0とωｐ二箇所存在することが分かる。すなわち、本実施例は、ω0未満の周波数帯において何ら共振周波数を生じさせることなく、所望の発振周波数だけを発振させられることが分かる。もちろん、発振周波数帯において、隣り合う二素子は同位相で同期させて発振させられるだけの十分な結合を有するため、好ましい設計となる。
【００３４】
このような設計は３素子アレイ以上においても適用することが出来る。例えば、１０素子程度までは、全素子に渡って同期できるだけの結合の大きさがある。素子数が多いと、その分、合成される電力も大きいため好ましい。
【００３５】
本実施例の発振素子は、以下の方法で製造することができる。まず、ＩｎＰ基板上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などによって、順次複数の層をエピタキシャル成長させる。すなわち、順に、ｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ層をエピタキシャル成長させる。その後、ＩｎＰ基板としてｎ型の導電性基板を用いるため、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長させる。また、その際に、周知のエッチング、洗浄、不純物注入、露光等の各工程を行うことで、共鳴トンネルダイオード層、電気接点層を形成している。さらに、共鳴トンネルダイオード層６０７を円柱のメサ状となるようにエッチングを行う。さらに、共鳴トンネルダイオード層６０７については、円弧形状のメサ状にエッチングを行う。エッチングにはＥＢ（電子線）リソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いるが、フォトリソグラフィを用いてもよい。続いて、電気接点層の表面に、リフトオフ法によりＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ層から成る接地導体６０４を形成する。共振器となる部分には、スピンコート法とドライエッチングを用いて、ｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ層を露出させるようにＢＣＢを膜厚約３μｍに形成する。ここで、リフトオフ法によりＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ層から成る金属パッチ６０４を形成すると個別の素子が出来上がる。最後に、プラズマＣＶＤ法を用いて個別の素子６０１、６０２の表面全体をシリコン酸化膜で被覆し、アルミニウム層６０５をパターニングして本発振素子は完成する。
【００３６】
本実施例の共鳴トンネルダイオードへのバイアス電力の供給は、例えば、個別の発振素子６０１、６０２へバイアス線を接続する等をして実施するとよい。例えば、バイアスＴｅｅを用いるなどの方法があり、バイアス線起因の寄生発振は防止することが可能である。本実施例のアレイ型の発振素子は、電力合成による発振出力（電力）を得ると同時に寄生発振を抑制する基本構成として好都合である。
【００３７】
次に、バイアス線、バイアス回路も含む、さらに具体的な発振素子については、以下の実施例において説明する。
（実施例２）
本実施例では、第一の実施形態１及び実施例１をより実際的な構成にした発振素子７００について、図８〜図１３を用いて説明する。図８及び図９（ａ）は実施例２の発振素子７００の概観図であり、図９（ｂ）は実施例２の変形例を示す。図１０は、図９（ａ）及び（ｂ）に示した構成の発振素子について電気回路計算及び構造解析を用いて算出した設計例である。図１１〜図１３は、本実施例の変形例を説明する図である。なお、実施例１と同じ構成部材については詳細な説明を省略する。
【００３８】
発振素子７００は、個別の発振素子７０１、７０２のＨ面結合（Ｈ−Ｐｌａｎｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ）二素子アレイである。図８のように実施例１のアレイアンテナを給電回路と共に基板７１８に集積した構成の発振素子であり、およそ０.４ＴＨｚを発振させる設計となっている。本実施例においても負性抵抗素子７０７ａ、７０７ｂとして実施例１に開示した共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いており、ＲＴＤのメサ構造の直径（ＤＲＴＤ）は３μｍΦとした。
【００３９】
パッチアンテナ７０３ａ、７０３ｂは、共振方向の長さが２００μｍの正方形パッチである。負性抵抗素子７０７ａ、７０７ｂは、共振方向の中央から８０μｍだけオフセットさせて配置し、金属パッチ７０３ａ、７０３ｂと接地導体７０４とで挟まれることで電気的に接触している。パッチ７０３ａ、７０３ｂと接地導体７０４との間には、誘電体（ＢＣＢ）を厚さ３μｍで充填した。
【００４０】
金属パッチ７０３ａ、７０３ｂは幅５μｍ、長さ５０μｍのストリップ導体７１０ａ、７１０ｂを介して並列容量であるＭＩＭ容量７１１ａ、７１１ｂと接続される。  ストリップ導体７１０ａ、７１０ｂは、金属パッチ７０３ａ、７０３ｂの共振方向における中心に配置され、この位置は発振周波数（０．４ＴＨｚ）においてパッチアンテナ７０３ａ、７０３ｂに定在するテラヘルツ波の電界の節とほぼ一致する。この時、ストリップ導体７１０ａ、７１０ｂは０．４ＴＨｚでパッチアンテナ７０３ａ、７０３ｂ内を共振する電界と干渉することはない。
【００４１】
抵抗体７１２ａ、７１２ｂ、及びこれと並列に接続されたＭＩＭ容量７１１ａ、７１１ｂは低インピーダンス回路であり、負性抵抗素子７０７ａ、７０７ｂと並列に配置される。これは、電源７１５ａ、７１５ｂ及び配線７１３ａ、７１３ｂを含むバイアス回路に起因した比較的低周波数の共振による寄生的な発振を抑制している。抵抗体７１２ａ、７１２ｂの値は、負性抵抗素子７０７ａ、７０７ｂの負性抵抗領域における負性抵抗の絶対値と等しいか、その絶対値より少し低い値が選択される。本実施例においては、抵抗体７１２ａ、７１２ｂは、ＭＩＭ容量７１１ａ、７１１ｂの上部の導体（上導体）と接地導体７０４との間を１０Ωで接続している。抵抗体７１２ａ、７１２ｂには半金属であるビスマスを使用し、抵抗として１０Ωを得るために２００μｍ×２００μｍ×１μｍ厚のビスマス膜をリフトオフ法で形成した。なお、抵抗体７１２ａ、７１２ｂは、ニッケルクロム等の金属や導電性樹脂等を用いた線形抵抗体、又は、半導体を用いた非線形抵抗体等であってもよい。
【００４２】
ＭＩＭ容量７１１ａ、７１１ｂも同様に、マイクロ波の周波数帯において、ＭＩＭ容量７１１ａ、７１１ｂのインピーダンスが負性抵抗素子７０７ａ、７０７ｂの負性抵抗の絶対値と等しいか、その絶対値より低くなるように設定される。ＭＩＭ容量７１１ａ、７１１ｂは大きいほうが好ましく、本実施例では発振素子と同一基板に集積されたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造により２０ｐＦ程度とした。  ＭＩＭ容量７１１ａ、７１１ｂは、ワイヤーボンディングを含む配線７１２ａ、７１２ｂに接続される。また接地導体７０４はＧＮＤ線７１４に接続される。このような構成により、電源７１５ａ、７１５ｂから負性抵抗素子７０７ａ、７０７ｂに対して、バイアス電圧の供給及び調整がそれぞれ独立に行われる。
【００４３】
図９（ａ）に示したように、個別の発振素子７０１、７０２は、金属パッチ７０３ａ、７０３ｂと幅（ｗ）が４μｍのコの字状マイクロストリップライン７０５により容量接続される。コの字状マイクロストリップライン７０５の共振電界と垂直方向の距離ｘとＭＩＭ領域の長さｉｎを用いると、コの字状マイクロストリップライン７０５の全長は、２×（ｉｎ＋５０μｍ）＋ｘとなる。また、金属パッチ７０３ａ、７０３ｂとストリップライン７０５の間のギャップの間隔はｈＳｉＮであり、本実施例では、ギャップに０．２μｍの窒化シリコン（ＳｉＮx）を充填した。また、隣接する発振素子７０１と７０２の間の距離をｄｘとする。この時、本実施例の発振素子は、隣接素子間の結合強さは主にｉｎ、ｗ、ｈＳｉＮで調整することが出来る。また、隣接素子間の位相整合の度合いは長さｘで、隣接素子の電力合成の度合いはｄｘでそれぞれ調整することが出来る。
【００４４】
また、図９（ｂ）には、本実施例の変形例として個別の発振素子８０１、８０２をＥ面結合（Ｅ−Ｐｌａｎｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ）した二素子アレイについても示した。なお、本素子は、発振素子８０１、８０２が共通のＭＩＭ容量８１１を有しており、共通電源でバイアス供給及び調整が可能な構成となっている。このような構成は、配線数の削減やレイアウト設計の自由度向上に有利である。この場合、金属パッチ８０３ａ、８０３ｂは、パッチの共振電界の方向に配置された幅（ｗ）が４μｍのマイクロストリップライン８０５により容量接続される。マイクロストリップライン８０５の共振電界と平行方向の距離ｙとＭＩＭ領域の長さｉｎを用いると、マイクロストリップライン８０５の全長は、２×ｉｎ＋ｙとなる。Ｅ面結合の発振素子は、隣接する発振素子８０１、８０２間の距離をｄｙ（＝ｙ）とすると、隣接素子間の結合強さはｉｎ、ｗ、ｈＳｉＮで、位相整合の度合いは長さｙで、電力合成の度合いはｄｙでそれぞれ調整することが出来る。８１０ａはストリップ導体である。
【００４５】
図１０は、電気回路計算及び構造解析を用いて算出した本実施例で開示したＨ面結合及びＥ面結合二素子アレイの設計例である。図１０（ａ）は結合の強さの度合いを示すRe[ｙ１２]とＭＩＭ領域の長さｉｎの相関を示しており、ｉｎが長くなるほどＭＩＭ領域の容量が増えるので、Re[ｙ１２]が減少（絶対値は増加）する。図１０（ｂ）は、２素子がｅｖｅｎモードで位相整合するストリップラインの長さｘ又はｙとＭＩＭ領域の長さｉｎの相関を示している。ここで、Im[ｙ１２]の値はほぼゼロとなる。言い換えると、−ｙ１２の偏角が１８０°となるマイクロストリップラインの長さｘ又はｙを選択すると、２素子がｅｖｅｎモードで位相整合する。この時、電気長で考えると、長さｘはほぼ２π、長さｙはほぼπに相当する。ＭＩＭ領域の長さｉｎを長くして結合を強くすることで、ｅｖｅｎモードで位相整合するマイクロストリップラインの長さｘ又はｙは短くなる。従って、隣接素子間の結合が強い、すなわちRe[ｙ１２]の絶対値が大きい構成は、素子間距離ｄｘ及びｄｙが減少するので、電力合成に有利な設計となることが分かる。
【００４６】
また、実施例２の変形例として、図１１にＥ面結合の４素子リニアアレイ、図１２にＥ面・Ｈ面結合による２×２アレイ、図１３にＥ面・Ｈ面結合による３×３アレイの一例を示した。これらの構成では、素子間結合のリンク構造として折り込んだストリップライン８０５、９０５、１００５を用いている。本構成は、ストリップラインの長さｘ及びｙと、素子間距離ｄｘ及びｄｙを独立に制御出来るため、素子間の電気長の調整と電力合成の度合いをそれぞれ独立に設計可能な構成となっている。また、図１３のＥ面・Ｈ面結合による３×３アレイは、二つの負性抵抗素子１００７ａ１、１００７ａ２を配置したプッシュ・プル型の発振素子１００１ａ〜ｇをアレイ配置しており、高出力化に有利な構成である。これらの図において、９１０ａ〜ｄは個別の発振素子、９１０ａ、１０１０ａはストリップ導体、９１１ａ、１０１１はＭＩＭ容量である。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る発振素子は、製造管理、医療画像診断、安全管理等に用いることができる要素デバイスとして応用が期待される。
【符号の説明】
【００４８】
１０１、１０２、２０１、２０２、８０１ａ〜８０１ｄ、９０１ａ〜９０１ｄ、１００１ａ〜１００１ｉ・・・個別の発振素子、１０３、２０３・・・第一の導体、１０４、２０４・・・第二の導体、１０５、２０５、８０５ａ〜８０５ｃ、９０５ａ〜９０５ｄ、１００５ａ〜１００５ｈ・・・金属部（ストリップライン、リンク構造）、１０６、８１１、９１１ａ、１０１１・・・ＭＩＭ領域（ＭＩＭ容量）、１０７、２０７・・・負性抵抗素子、２００・・・基板、４０６・・・誘導結合となる結合ループ領域、８１０ａ、８１０ｂ、９１０ａ、１０１０ａ・・・ストリップ導体
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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