(57)【要約】  本発明の分野は高周波の電磁波検出に関するものである。本発明は非常に広範囲の帯域幅に適用され得るが、好適な適用範囲はテラヘルツの周波数領域である。  本検出装置の核心は、検出されるべきテラヘルツ信号の強さに依存する光学領域における吸収係数を有する、いわゆる活性物質（１００）を含む。光プローブ（２００）を用いて吸収係数の変動を測定することにより、従ってテラヘルツ信号の強さは決定される。この手段により、測定がもはや技術的問題を引き起こさない周波数領域において、周波数変換が行なわれる。半導体又は量子井戸材料を用いて、この活性物質に適したアンテナ（１０１）を持つことにより、検出器の感度を著しく改善することが可能である。  この場合、テラヘルツのセンサーのマトリックス又はモジュールを作成することもまた可能であり、それによりテラヘルツのイメージングあるいはテラヘルツの分光学が実行されることを可能にする。【選択図】図７
2009512865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の帯域幅に送信される電磁信号（１０）のセンサーであって、
それが主に、
第２の電磁帯域幅内へ吸収性のある、前記電磁信号（１０）により照らされる活性媒質（１００）であり、この第２の帯域幅内への前記媒質の吸収が前記電磁信号の強さに依存する活性媒質と、
光プローブであって、
前記第２の帯域幅内に光信号（２０）を送信する手段（２０１）と、
光信号（２０）が吸収性の活性媒質を通過するように配置されたオプトメカニカル手段（２０４、２０５、２０６、２０７）と、
吸収性媒質を通過した後に光信号を受けるように配置された少なくとも一つの光検出器（２０２）とを含む光プローブと
を備えることを特徴とするセンサー。
【請求項２】
一方で活性媒質（１００）が固体又はエピタキシャルの半導体材料からなり、他方で光信号の波長が半導体材料の吸収波長よりも大きく、吸収がフランツ・ケルディッシュ効果により行なわれることを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
【請求項３】
一方で活性媒質（１００）が対称な量子井戸構造であり、他方で光信号の波長が前記構造のバンド間又はバンド内遷移の波長にほぼ近いことを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
【請求項４】
構造が互いに平行で数十オングストロームの厚さの、数十の平らな層を有するスタックを備え、層の構成材料が交互にＧａ．５３Ｉｎ．４７ＡｓとＡｌ．５２Ｉｎ．４８Ａｓであり、この層は鉄でドーピングされた半絶縁性のＩｎＰ基板上でのエピタキシャル層であることを特徴とする、請求項３に記載のセンサー。
【請求項５】
一方で活性媒質（１００）が非対称の量子井戸構造であり、他方で光信号の波長が前記構造のバンド間又はバンド内遷移の波長にほぼ等しいことを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
【請求項６】
活性媒質（１００）が電磁信号の帯域幅で動作するために適合した回折格子（１０４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
【請求項７】
格子（１０４）が、前記格子により回折された電磁信号の部分が量子井戸構造の構成材料層の平均面にほぼ平行な方向を有するように構成されることを特徴とする、請求項３〜６のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項８】
活性媒質（１００）が、検出されるべき信号の第１の帯域幅に適合した、少なくとも一つのアンテナ（１０１）を備え、光信号（２０）が前記アンテナの近傍において送信手段により集束させられることを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
【請求項９】
アンテナがダイポール型であって、二つの対称で同一の部分からなり、各部分が半円により終端となっている素線を含み、スロットが光信号の波長よりも非常に小さい幅を有する二つの部分を分離していることを特徴とする、請求項８に記載のセンサー。
【請求項１０】
活性媒質（１００）が、アンテナ（１０１）上に中心があり、電磁信号に対してほぼ透明な材料で作成される半球状のレンズ（１０２）を備えることを特徴とする、請求項８に記載のセンサー。
【請求項１１】
活性媒質（１００）がアンテナの領域において薄膜（１０３）の形を有し、前記膜の厚さが電磁信号の平均波長よりも薄いことを特徴とする、請求項８に記載のセンサー。
【請求項１２】
光プローブが反射により動作し、センサーが吸収媒質を通過した後の光信号を反射し得る光学的手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１３】
アンテナ（１０１）が光信号用のミラーとして使用される、少なくとも一つの電極を含むことを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１４】
内部に活性媒質が位置する光空胴共振器を前記センサーが備え、光信号が前記空胴の近傍において送信手段により集束させられることを特徴とする請求項１３に記載のセンサー。
【請求項１５】
送信された光信号を、活性媒質を通過する前に、この活性媒質により反射された光信号から分離するように設置された、少なくとも一つの分離用光学部品（２０７）をオプトメカニカル手段が備えることを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１６】
光信号が偏光され、分離用光学部品（２０７）の反射率及び透過係数が前記信号の偏光に依存することを特徴とする請求項１５に記載のセンサー。
【請求項１７】
光プローブが、
光信号（２０）の一部が吸収媒質を通過しないように配置された、第２のオプトメカニカル手段（２０４、２０８）と、
前記信号の部分を受けるために配置された、少なくとも一つの第２の光検出器（２０３）と
を備えた、基準光路をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサー。
【請求項１８】
光信号が紫外線の範囲又は、可視範囲あるいは赤外線範囲において送信されることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のセンサー。
【請求項１９】
複数の個々のセンサーを含む、センサーのマトリックス又はモジュールであって、前記センサーが請求項１〜１８のいずれか一項に従い、そして個々の光検出器がＣＣＤタイプのマトリックス（２１１）において一緒にグループ化されることを特徴とする、センサーのマトリックス又はモジュール。
【請求項２０】
活性媒質がマトリックスの全ての個々のセンサーに共通であることを特徴とする、請求項１９に記載のセンサーのマトリックス又はモジュール。
【請求項２１】
送信手段がマトリックスの全てのセンサーに共通であり、送信された単一の信号が微小光学のマトリックス（２１２）を用いて各個別のセンサーに専用の、複数の個別信号へと分離されることを特徴とする、請求項１９に記載のセンサーのマトリックス又はモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は高周波の電磁波検出に関するものである。本発明は非常に広範囲の帯域幅に適用され得るが、好適な適用分野はテラヘルツの周波数領域である。
【背景技術】
【０００２】
遠赤外線波とミリメートル波の間の境界に位置する周波数領域は、材料の吸収又は反射特性がこの範囲の波長において大幅に異なり得るほどの、多くの興味深い技術的ならびに産業的様相を示す。医学用のイメージング分野における適用、及び一定の制御と保安システムのための適用において、とりわけ言及がなされている。これらの装置は又、測定学における適用のために用いられる。
【０００３】
超短波電磁波の検出は、しかしながら比較的達成が難しく、テラヘルツ技術の発展に対する主要な障害となっている。現在のセンサーとして提供されるものは比較的弱く、そしてセンサーは複雑である。最も一般的に使用されているセンサーは、検出されるべき波の電界によってもたらされる超伝導体の膜の熱的変化を測定するボロメータである。ボロメータは非常に良好な感度を示す一方で、それにもかかわらずおよそ数ケルビンの非常な低温で動作しなければならず、従って非常に重い使用上の制約を課す。投射する力の評価がとりわけ投射する電磁波によりもたらされる、ガス状のセルの圧力変化の光学測定によってなされる場合に、いわゆるゴレーセルを用いることもまた可能である。これらのセンサーは非常に敏感ではあるが、極度に不安定であり非常に低いレベルの照明のみを許容する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、この高周波スペクトルバンドにおいて敏感であり、上記の欠点を示さない検出装置を提案することである。気付くであろうように、装置は周囲温度において動作可能で、複雑な構成要素を含まない。更に、本発明によるセンサーのマトリックスを作成することにより、テラヘルツのイメージング又はテラヘルツの分光学を実施することが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の核心は、検出されるべきテラヘルツ信号の強さに依存する光学領域における吸収係数を有する、いわゆる活性物質の使用を含む。吸収係数の変動を測定することにより、テラヘルツ信号の強さは従って決定される。この手段により、測定がもはや技術的問題を引き起こさない周波数領域において、周波数変換が行なわれる。
【０００６】
明細書の本文及び図を通じて、以下の取り決めが採用されている。
検出されるべき外部信号は電磁信号と呼ばれる。それは各種の図において山形で表わされる。
センサー内部への信号は光信号と呼ばれる。それは様々な図において点の格子である塗りつぶしパターンを有する面又は矢印により表わされる。
前記電磁信号の強さと共に変化する吸収を有する媒質は活性媒質と呼ばれる。
光信号の生成、フォーマット、及び検出に用いられる光学部品、オプトメカニカル部品、及び光電子部品の集合は光プローブと呼ばれる。
光信号を受けるように意図された光プローブ内部のセンサーは光検出器と呼ばれる。
【０００７】
より具体的には、本発明の主題は第１の帯域幅に送信される電磁信号のセンサーであって、それが主に、
第２の電磁帯域幅内へ吸収性のある、前記電磁信号により照らされる活性媒質であり、この第２の帯域幅内へのそれ自体の吸収が前記電磁信号の強さに依存する活性媒質と、
光プローブであって、
前記第２の帯域幅内に光信号を送信する手段と、
光信号が吸収性の媒質を通過するように配置されたオプトメカニカル手段と、
吸収性媒質を通過した後に光信号を受けるように配置された少なくとも一つの光検出器とを含む光プローブと
を備えることを特徴とする。
【０００８】
有利なことに、活性媒質は光信号に対して透明な基板上で、固体又はエピタキシャルの半導体材料を含むことができ、光信号の波長はその時この半導体材料の吸収波長よりも長くなるように選択され、吸収の変化はフランツ・ケルディッシュ効果により行なわれる。活性媒質はまた対称な量子井戸構造であり得る。光信号の波長はそのとき前記構造のバンド間又はバンド内遷移の波長にほぼ近く、吸収の変化は量子的に閉じ込められたシュタルク効果により達成される。例えば、構造は互いに平行で数十オングストロームの厚さの、数十の平らな層を有するスタックを備え、層の構成材料は交互にＧａ．５３Ｉｎ．４７ＡｓとＡｌ．５２Ｉｎ．４８Ａｓであり、この層は鉄でドーピングされた半絶縁性のＩｎＰ基板上でのエピタキシャル層である。活性媒質はまた非対称の量子井戸構造であり得る。この場合、光信号の波長は前記構造のバンド間又はバンド内遷移の波長に等しい。
【０００９】
有利なことに、活性媒質は電磁信号の帯域幅で動作するために適応した回折格子を備える。媒質が量子構造を有する場合、前記格子により回折された電磁信号の部分は、そのとき量子井戸構造の構成材料の層の平均面にほぼ平行な方向を有する。
【００１０】
有利なことに、活性媒質は検出されるべき信号の第１の帯域幅に適応した少なくとも一つのアンテナを備え、光信号は送信手段により前記アンテナの近傍において集束される。この場合、活性媒質はアンテナ上に中心があり、電磁信号に対してほぼ透明の材料において作成された半球形のレンズを含み得る。又、アンテナの領域において薄膜の形を有し、前記膜の厚さが電磁信号の平均波長よりも非常に薄い活性媒質を使用することも可能である。
【００１１】
有利なことに、光プローブは反射により動作することができ、センサーは吸収性の媒質を通過した後の光信号を反射できる光学的手段を備える。媒質がアンテナを含む場合、アンテナは光信号用のミラーとして使用される、少なくとも一つの電極を含むことができる。内部に活性媒質が置かれた光空胴共振器を用いて、光信号の吸収を改善することも又可能であり、光信号は前記空胴の近傍において、送信手段により集束させられる。これに関連して、オプトメカニカル手段は送られた光信号を、活性媒質を通過する前に、活性媒質により反射された光信号から分離するように設置された、少なくとも一つの分離用光学部品を備える。放射された光線と受け取られた光線の分離は偏光した光信号を用いて得ることができ、分離用光学部品の反射率及び透過係数は、そのとき前記信号の偏光に依存する。
【００１２】
有利なことに、光プローブはまた、
光信号の一部が吸収媒質を通過しないように配置された第２のオプトメカニカル手段と、
前記信号の部分を受けるように配置された、少なくとも一つの第２の光検出器とを備えた、基準光路を含むことができる。
【００１３】
光信号は紫外線範囲又は可視範囲、あるいは赤外線範囲において送信される。
【００１４】
本発明はまた上記の特性を有する複数の個々のセンサーを備えたマトリックス又はモジュールにも適用され、個々の光検出器はそのときＣＣＤ（電荷結合素子）タイプのマトリックス内に一緒にグループ化される。
【００１５】
この場合、活性媒質がマトリックスの全ての個々のセンサーに共通であり、そして送信手段もまたマトリックスの全ての個々のセンサーに共通であり、単一の送信された光信号が微小光学のマトリックスを用いて、それぞれ個々のセンサーに専用の複数の個別信号へと分離されることが好ましい。
【００１６】
本発明は制限されない例の目的で与えられる以下の記述を読むことにより、そして添付図の助けにより更に良く理解され、他の利点が明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明によるセンサーは図１に表わされている。検出されるべき電磁信号１０は第１の帯域幅において送信される。本センサーは、
第２の電磁帯域幅内へ吸収性のある、前記電磁信号１０により照らされる活性媒質１００であって、この第２の帯域幅内への前記媒質の吸収が前記電磁信号の強さに依存する活性媒質と、
光プローブ２００であって、
前記第２の帯域幅内に光信号２０を送信する手段２０１と、
光信号２０が吸収性の媒質１００を通過するように配置されたオプトメカニカル手段と、
吸収性媒質１００を通過した後に光信号２０を受けるように配置された少なくとも一つの光検出器２０２とを含む光プローブと
を備える。
【００１８】
連続的な電磁信号を検出するため、電磁信号の存在下における活性媒質の吸収を変化させる物理的効果は、非ゼロの平均値による吸収の変動を起こす必要がある。
【００１９】
図２及び３はこの原理を例示している。図２はその電磁信号の電磁界Ｅに応じた吸収αが、ゼロの電磁界Ｅに中心がある奇対称性を有する曲線により表わされる材料を示す。この場合、吸収αは時間の関数としての電界Ｅの正弦波状の変動に従い、平均変動αＭＥＡＮはゼロである。この変動は図２における破線で表わされる。そのような材料は検出のために適切でないであろう。しかしながら、図３に例示されるように、電磁信号の電磁界Ｅに応じた吸収αが奇対称性を有する曲線でない場合、吸収αは時間の関数としての電界Ｅの正弦波状の変動に従わず、平均変動αＭＥＡＮはもはやゼロではない。図３の場合、吸収係数は電磁界Ｅの符号に関わらずプラスのままである。この後者の場合、吸収の変動を誘起する物理現象の速度はセンサーの電磁帯域幅を制限する。
【００２０】
光プローブを用いて活性媒質を精査することによる平均の吸収変動の測定は、センサーにおける投射する電磁波の出力を定量化することを可能にするであろう。この測定は、例えばフォトダイオードを用いて行なわれることができ、その感度は送信された光信号の波長に適応し、その帯域幅は特性化されるべき電磁信号の周波数よりも小さい。
【００２１】
非ゼロの平均変動を伴う吸収係数αを与える様々なタイプの材料が存在する。
【００２２】
活性媒質の第１のタイプは光信号に対して透明な基板上の、固体又はエピタキシャルの半導体であり得る半導体からなる。より具体的に、基板が透明であるためには、光信号の波長が基板の吸収帯域幅よりも大きいことで十分である。活性媒質における吸収の変化は、投射する電磁信号の電界により誘起されるフランツ・ケルディッシュ効果による。この効果は電界の符号に無関係である。結果として、活性媒質の吸収の変動は平均においてゼロではない。フランツ・ケルディッシュ効果は速い効果であり、吸収の変動は１００フェムト秒より短い時間内に生じ、テラヘルツの周波数領域における電磁信号の検出を可能にする。
【００２３】
図４ａは半導体材料に関する波長に応じた吸収を表わす。Ｅ≠０で示される実線の曲線は電磁信号の存在下における吸収を表わし、Ｅ＝０で示される破線の曲線は電磁信号が存在しない状態における吸収を表わす。Δαで表わされる吸収係数の変動は、半導体材料の吸収波長λｇよりもほんの僅かだけ大きい波長λ０に対して最大である。従って、半導体材料の価電子帯Ｂｖ及び伝導帯Ｂｃのエネルギーレベルを伝統的に表わす図４ｂに見られるように、電磁界Ｅがゼロの場合、波長λ０を有する光信号は吸収されずに伝送される。他方で、電磁界Ｅがもはやゼロではない場合、波長λ０は吸収される。この場合、図４ｂにおいて電子の上向きの動きによって象徴される、電子遷移が価電子帯Ｂｖと伝導帯Ｂｃとの間に生じる。電界の有無により生み出される吸収の対比は最大である。
【００２４】
電磁信号の電界に対する感度を増すために、半導体の活性媒質は対称な量子井戸を形成する材料の積層により置き換えられることができる。図５ｂにおいて示されるように、印加される電界Ｅが無い場合、これらの井戸は別個のエネルギーレベルＮ１とＮ２を与える。この層の面に直角の電界Ｅの印加は、井戸の状態間のエネルギー差の変動により示される。この効果は量子的に閉じ込められたシュタルク効果と呼ばれる。エネルギー差のこの変動は、図５ａに例示されるような波長に応じた光の吸収の変化をもたらす。Ｅ≠０で示される実線の曲線は電界Ｅの存在下における量子井戸構造の吸収を表わし、Ｅ＝０で示される破線の曲線は電界Ｅが存在しない状態における量子井戸構造の吸収を表わす。この場合、図５ｂに見られるように、電磁界Ｅがゼロの場合、量子井戸構造のバンド間又はバンド内遷移の波長λ１２に近い波長λ０は吸収されずに伝送される。しかしながら、電磁界Ｅがもはやゼロでない場合、波長λ０は吸収され、レベルＮ１からＮ２への電子の遷移を引き起こす。従って、レベル間のエネルギー変動により誘起される吸収の変動Δαは最大化される。
【００２５】
対称な構造に関して、この効果は印加された電界の符号に無関係であり、従って連続的な電磁信号の検出を可能にする。
【００２６】
更に、この効果は速く、電磁界をテラヘルツの周波数領域まで検出することを可能にする。最後に、量子的閉じ込めは電磁界Ｅに対する吸収の感度増大により示される。
【００２７】
一例として、活性媒質を形成する複数の量子井戸を有する構造は、互いに平行で１００オングストロームの厚さの、５０の平らな層を含むスタックからなり、このスタックは５００ナノメートルの全体厚さを有する。層の構成材料は交互にＧａ．５３Ｉｎ．４７ＡｓとＡｌ．５２Ｉｎ．４８Ａｓである。これらの層は鉄でドーピングされた半絶縁性のＩｎＰ基板上でのエピタキシャル層である。量子井戸におけるバンド間遷移に対応する波長は１．５５μｍである。
【００２８】
図６ｂに示されるように、下段の井戸幅が上段の井戸幅と異なる構造を生み出すことによって、非対称の量子井戸のスタックを用いることも又可能である。この非対称性は電磁界に対する感度を増すことを可能にする。上述のように、層の面に直角な電界の印加は複数の量子井戸の状態間のエネルギー差の変動により示される。このエネルギー差の変動は図６ａに例示されるように、波長に応じた光の吸収の変化をもたらす。Ｅ＜０及びＥ＞０で示される実線の曲線は電界Ｅの存在下における量子井戸構造の吸収を表わし、Ｅ＝０で示される破線の曲線は電界Ｅが存在しない状態における量子井戸構造の吸収を表わす。実線の曲線は対称である。光信号の波長λ０は、検出を最適化するように井戸の構成に従って選ばれる。この場合、図６ｂに見られるように、波長λ０は量子井戸構造の遷移の波長λ１２に等しくなるように選ばれることが望ましい。従って電磁界Ｅがゼロの場合、波長λ０は吸収され、レベルＮ１からＮ２への電子の遷移を引き起こす。しかしながら、電界Ｅがもはやゼロでない場合、波長λ０は伝送される。従って、レベル間のエネルギー変動により誘起される吸収の変動ΔαはＥの符号に関わらず同一であり、平均において非ゼロである吸収の変動をもたらす。
【００２９】
センサーの感度を改善するため、及び／又は活性媒質の感度を改善するように電磁信号の電界の方向を変えるため、検出されるべき電磁信号を集中させる手段を、活性媒質に対して有することは興味深い。進めるために最も簡単な方法は、図７に示されるように、検出されるべき波の周波数に適応したアンテナ１０１を半導体の表面上に置くことである。これはアンテナの電極間スペースの次元で、アンテナのＱ値に比例して、検出されるべき電界を集中させることを可能にする。電極間スペースのレイアウトは電界を局部的に増加させることを助ける。この電極間スペースは、その電荷に対応する、又はより一般的にその状態変化に対応する特性時間τが、検出されるべき電磁信号の期間よりも短くなるように、十分低い電気容量Ｃを与えなければならない。
【００３０】
ここでτ＝ＲＣであり、Ｒはアンテナの放射抵抗である。
【００３１】
アンテナの特性及び形状は、電磁信号の周波数特性及び帯域幅特性に応じて合わせられる。図７において、アンテナはダイポールの単純な形状を有する。この場合、電磁信号が有効平均波長∧を有する場合、アンテナの長さはほぼ∧／２でなければならない。非常に広い帯域幅の利点を提供する、いわゆるバタフライアンテナ及び、いわゆるスパイラルアンテナのような他の形状もまた可能である。
【００３２】
アンテナの材質は金であり得る。
【００３３】
勿論、光信号は電磁信号の集中及びそれが誘起する吸収変動が最大である点において、前記アンテナの近傍に集束させられねばならない。
【００３４】
一例として、図８はテラヘルツ近辺における周波数を有する波の検出に適したアンテナ１０１を表わす。このダイポール型のアンテナは二つの対称で同一の部分からなる。その全体波長Ｌは４０μｍである。各部分は素線を含み、その幅Ｗは８００ナノメートルである。各素線は半円で終わっており、その直径は４μｍである。二つの半円を分離しているスロットは２００ナノメートルの幅ｄを有する。このスロットはアンテナの電極間スペースを構成する。プローブからの光信号は二つの半円上において反射される。スロットの幅は光の波長よりも非常に小さいため、二つの半円により形成される全ての表面は反射している。このアンテナは約１テラヘルツでの共振を与える。それは従って検出帯を数％に固定する。
【００３５】
この場合、プローブからの光信号は二つの半円の中央に集束させられる。
【００３６】
検出感度を改善するため、アンテナのゲインは図９に示される、アンテナ上に中心のある半球状レンズ１０２のおかげで増加し得る。このレンズのために使用される材料は特性化されるべき電磁信号に対して透明でなければならない。従って、そのようなレンズはサファイア、石英、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ポリエチレン、あるいは超抵抗シリコン又は半絶縁ガリウム砒素化合物等の自由キャリアの低い濃度を有する半導体材料を用いて作成され得る。
【００３７】
一例として、直径５ｍｍの半球状レンズが中心に置かれ、図８のアンテナ上に接着され得る。
【００３８】
アンテナのゲインを増加させるための第２の実施形態は図１０に示されている。アンテナは膜１０３上に作成され、その有効厚さは特性化されるべき電磁波の波長よりも非常に小さい。従って、活性媒質は電磁信号に対して透明のままである。
【００３９】
量子井戸構造は、層の平均面に対して直角な電界のみに敏感であることが知られている。これまでに見られたように、アンテナを用いて電磁信号の電界を修正することが出来る。図１１に示されるように、活性媒質上に配置され、電磁信号の帯域幅で動作するのに適合した回折格子１０４を用いて、この効果を得ることもまた可能である。格子はそのとき、前記格子により回折される電磁信号の部分が、量子井戸構造を形成する材料の層の平均面に対してほぼ平行な方向を有するように配置される。従って、伝搬方向に直角な電磁信号の偏光は、活性媒質の層の面に対してほぼ直角である。
【００４０】
これまでに光信号の波長の選択がシステムの性能を条件付けることが見られた。狭くて安定したスペクトルバンドにわたって放射している光源を選ぶことは有利である。レーザーはこのタイプの装置に特に良く適している。光信号の送信手段は、例えばＤＦＢ（分布帰還−Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）型のレーザーである。これらのレーザーは一般に近赤外線において放射する。それらはファイバーで引かれることができ、レーザーからの放射は単一モード光ファイバーにおいて伝送される。それらの出力は容易にモジュール化され得る。
【００４１】
光プローブは透過又は反射のいずれかで動作可能である。第２の動作モードは、活性媒質のいずれの側にも配置できる電磁信号と光信号とを切り離すという利点を提供する。この場合、媒質がアンテナを含むならば、このアンテナの電極の一つは光信号用のミラーとして使用できる。
【００４２】
検出感度を改善するため、活性媒質を有するプローブの有効な相互作用長さを増すことが可能である。これを行なうため、活性媒質は光空胴共振器の中に置かれる。これは、
１００％に近い反射率を持ち得るアンテナの金属電極により、活性媒質の第１の側に、そして
誘電体又は半導体の材料に基づく、金属、誘電体、又はブラッグ（Ｂｒａｇｇ）ミラーであり得るミラーにより、活性媒質の反対側に形成されることができる。この第２のミラーの反射率は、活性媒質における吸収の変動に応じて、各空胴に対して後方へ伝送される光強度の変動を最大とするために最適化される。
【００４３】
光空胴共振器の光学的厚さは、光信号の往復路が正の干渉をするように選ばれなければならない。
【００４４】
反射モードの動作の場合、プローブは活性媒質により反射された光信号からの活性媒質を通過する前に、送信された光信号を分離するように配置された、オプトメカニカル手段を含むことが必要である。
【００４５】
図１２は反射により動作し、そのような手段を含む光プローブの第１の例示的実施形態を示す。より具体的に、プローブは、
例えば、可視の、又は赤外線の放射範囲において放射するレーザーダイオードである、光信号の送信手段２０１と、
光信号が吸収媒質を通過するように配置されたオプトメカニカル手段であって、これらの手段が、
視準及び集束レンズ２０４、２０９、及び２１０と、
分離板２０７とを備え、送信源が直線的に偏った光を送る場合、この板が偏光分離板となり得る、オプトメカニカル手段とを含む。
この場合、この板の反射率及び透過係数は信号の偏光に依存し、バランスした効率で光信号を反射又は透過させるように最適化される。投射する光信号の偏光を変えるために、例えば分離板２０７と活性媒質１００との間に四分の一波長板２０６を設置することが可能である。この場合、板が適切に方向付けられているならば、活性媒質により反射され、四分の一波長板を２回通った光信号の偏光は、信号の当初の偏光に対して９０°回転している。この装置は半波長の調整板２０５を用いて、又は例えば送信源の方向を、
吸収媒質を通過した後の光信号２１を受けるように配置された少なくとも一つの光検出器２０２に向ける
ことを可能にする機械的調整を用いて補われることができる。
【００４６】
図１３は反射により動作する光プローブの第２の例示的実施形態を示す。より具体的に、プローブは、
光信号２０を送信する手段２０１と、
光信号が吸収媒質を通過するように配置された第１のオプトメカニカル手段であって、これらの手段が
送信手段２０１の出力に配置され、吸収媒質に対し光信号を集束させることを可能にする視準レンズ２０４、反射ミラー２０８、及び集束レンズ２０９と、
集束レンズ２１０と、
吸収媒質及びレンズ２０９ならびに２１０を通過した後の光信号２１を受けるように配置された、少なくとも一つの光検出器２０２とを含む、第１のオプトメカニカル手段とを備える。
【００４７】
光プローブは又、
光信号２２の一部が吸収媒質を通過しないように配置された、第２のオプトメカニカル手段２０８と、
基準信号と呼ばれる信号の前記部分を受けるように配置された、少なくとも一つの第２の光検出器２０３と
を備える、図１２に示されるような基準光路を含むことができる。
【００４８】
この配置は、送信された光信号の強さの変動に無関係に検出を得ることを可能にする。
【００４９】
図１４はこのタイプの検出装置を例示する。光検出器２０２及び２０３は負荷抵抗器２１１を含むフォトダイオードである。これらのフォトダイオードの出力は、同期した検出機能２１２の入力に接続されている。変調器２１３は送信手段により送信された光信号２０の変調を制御する、変調信号を送信する。この変調された信号はまた、同期した検出機能にも供給される。同期した検出機能の出力において、測定信号２１と基準信号２２との強度の差に比例する電圧が得られる。この場合、電磁信号が無い状態では測定値と基準信号が等しいことは興味深い。従って、信号の欠如は同期した検知出力において０Ｖを与える。光プローブの様々な光学パラメータを調整することにより、この信号の均等性を得ることは容易である。
【００５０】
勿論、センサーのマトリックス又はモジュールを形成するために、複数の個々のセンサーを結合することは可能である。この場合、個々の光検出器はそのときＣＣＤ（電荷結合素子＝Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）タイプのマトリックス内へ一緒にグループ化される。
【００５１】
この場合、活性媒質がマトリックスの全ての個々のセンサーに共通であり、そして送信手段もまたマトリックスの全てのセンサーに共通であり、単一の送信された光信号が微小光学のマトリックスを用いて、それぞれ個々のセンサーに専用の複数の個別信号へと分離されることがまた好ましい。
【００５２】
図１５はそのようなマトリックスを含む検出装置３０を表わす。それは、
複数の検出領域を備える活性媒質１００であって、各領域がアンテナ１０１を含むことができ、この場合、様々なアンテナ間の分離が、アンテナの受信ローブの過度に大きい重なりを避けることが必須であるのを念頭において、装置の空間分解能を与える、活性媒質と、
例えば可視又は赤外線の放射範囲において放射するレーザーダイオードである、光信号を送信する手段２０１と、
光信号が吸収媒質１００を通過するように配置され、検出領域内に集束するオプトメカニカル手段であって、これらが、
検出領域において光信号の集束を確保する、視準レンズ２０４及びマイクロレンズの格子２１２と、
半波長板２０５と四分の一波長板２０６との間に置かれ、偏光により動作する分離板２０７と
を含むオプトメカニカル手段と、
様々な検出領域によって反射される光信号を受信するＣＣＤモジュール又はマトリックス２１１と
を備える。
【００５３】
そのような装置はテラヘルツのイメージングを実施するために使用され得る。この場合、図１６に示されるように、テラヘルツの波に対して透明な集束用光学部品３１は検出装置３０の前に位置している。
【００５４】
それは又、テラヘルツ分光法の実施にも用いられ得る。この場合、図１７に示すように、分散プリズム又は回折格子３２、及び集束レンズ３３は検出装置３０の前に位置している。平坦波の形を有する電磁信号は、従って後者の装置により、センサーのモジュール又はマトリックス上に集束させられる単色信号へと分解される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明によるセンサーの動作の概略図を表わす。
【図２】異なる吸収の変動に対するセンサーの活性媒質における、投射する電磁信号の電界の時間と振幅に応じた吸収の変動を表わす。
【図３】異なる吸収の変動に対するセンサーの活性媒質における、投射する電磁信号の電界の時間と振幅に応じた吸収の変動を表わす。
【図４ａ】活性媒質が半導体タイプの場合に、電磁信号の電界があるとき、又は無いときの光信号の波長に応じた吸収の変動を表わす。
【図４ｂ】活性媒質が半導体タイプの場合に、電磁信号の電界があるとき、又は無いときの光信号の波長に応じた吸収の変動を表わす。
【図５ａ】活性媒質が量子井戸タイプの場合に、電磁信号の電界があるとき、又は無いときの光信号の波長に応じた吸収の変動を表わす。
【図５ｂ】活性媒質が量子井戸タイプの場合に、電磁信号の電界があるとき、又は無いときの光信号の波長に応じた吸収の変動を表わす。
【図６ａ】活性媒質が量子井戸タイプの場合に、電磁信号の電界があるとき、又は無いときの光信号の波長に応じた吸収の変動を表わす。
【図６ｂ】活性媒質が量子井戸タイプの場合に、電磁信号の電界があるとき、又は無いときの光信号の波長に応じた吸収の変動を表わす。
【図７】アンテナを含む、本発明によるセンサーの動作の概略図を表わす。
【図８】アンテナの可能な形状を現す。
【図９】図７の第１の変形を表わす。
【図１０】図７の第２の変形を表わす。
【図１１】その活性媒質が回折格子を含む、本発明によるセンサーを表わす。
【図１２】反射により動作する光プローブを含むセンサーの第１の可能な配置を表わす。
【図１３】反射により動作する光プローブを含むセンサーの第２の可能な配置を表わす。
【図１４】光プローブからの信号処理の一例を表わす。
【図１５】本発明によるセンサーのマトリックスを表わす。
【図１６】図１５の装置の可能な応用を表わす。
【図１７】図１５の装置の可能な応用を表わす。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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