(57)【要約】【課題】テラヘルツ波を通信応用など、空間の伝送に用いるためにはより強力な電磁波が放射される必要がある。また、測定器として用いる場合にも１〜３ＴＨｚの領域で電磁波強度が十分でないとＳ／Ｎがとれず測定値の信頼性が危うくなる。そこで、より高出力かつ広帯域なテラヘルツ帯電磁波発生装置が必要となる。【解決手段】前記目的を達成するためにはまず、印加電圧を高める必要があり、そのために放射アンテナ材料のエネルギーギャップをＬＴ−ＧａＡｓのもつ１．４２ｅＶ以上とし、レーザー波長をその材料に合わせて８００ｎｍよりも短いものを使用する。このことによって印加電圧を１５Ｖ以上とすることができ、レーザー光強度を１５ｍＷ以上にして電磁波放射を行う。【選択図】図１
2006145372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短パルス光を放射する光源と、電磁波放射用アンテナとを備えたテラヘルツ波発生装置であって、
前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板上に形成され、１．４２ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有している光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
電極間への印加電界強度は３×１０４Ｖ／ｃｍよりも大きい電界であって、
前期突起電極間に波長８００ｎｍ未満であり、かつ平均強度が２０ｍＷよりも大きい超短パルス光を光源より照射することによって電磁波を発生させることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項２】
前記請求項１記載に光源として記載している超短パルス光のパルス時間幅は１００フェムト秒以下であり、前記パルス電磁波のパルス時間幅は５ピコ秒以下である、請求項１に記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項３】
前記請求項１記載の光源は、
波長８００ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒以下の性能を有するフェムト秒レーザーと、
波長を半分以下とすると同時にパルス幅を圧縮することのできる素子とを有するものであって、
当該光源より発せられるパルス光を前記請求項１記載の電磁波放射用アンテナに照射することによって電磁波を発生させることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項４】
前記請求項１から４記載の電磁波放射用アンテナ材料はＡｌ２Ｏ３基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板のいずれかの上に成長したＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０５＜ｘ＜０．４）膜、ＢＡｓ基板上に成長したＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０．５＜ｘ＜０．８）膜、ＧａＡｓ基板上のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ膜（０＜ｘ＜０．８）、ＧａＰ基板上のＡｌｘＧａ１−ｘＰ（０＜ｘ＜０．８）膜、Ｓｉ基板かＧａＰ基板上のＺｎＳｅｘＳ１−ｘ（０＜ｘ＜０．３）膜、石英基板上のＣｕＧａＳｅ２膜のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１から４記載のテラヘルツ電磁波発生装置。
【請求項５】
前記テラヘルツ電磁波発生装置を含むテラヘルツ電磁波発生・検出装置を用いた、
試料の誘電率の測定方法であって、
超短パルス光を放射する光源と、ビームスプリッタと、電磁波放射用アンテナと、電磁波検出用アンテナと、光学遅延系を備え、
前記光源から放射した超短パルス光は前記ビームスプリッタにより、第１の超短パルス光と第２の超短パルス光とに分割され、
前記第１の超短パルス光が、波長を半分以下とすると同時にパルス幅を圧縮することのできる素子を透過されたのち、平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナに照射されることにより、前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波が放射され、
前記電磁波放射用アンテナから放射されたパルス電磁波は電磁波検出用アンテナの裏面に到達し、
前記第２の超短パルス光は、前記光学遅延系を介して電磁波検出用アンテナの表面に到達し、
前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板上に形成され、１．４２ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有している光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
前記測定方法は、
前記試料を前記電磁波放射用アンテナと前記電磁波検出用アンテナとの間にセットする試料セット工程、および
前記試料に向けて前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波を放射させることにより、前記試料を透過したパルス電磁波を前記電磁波検出用アンテナの表面に到達させ、前記電磁波検出用アンテナの表面に到達した前記パルス電磁波と前記電磁波検出用アンテナの裏面に到達した第２の超短パルス光との相互相関信号を電流として検出するパルス電磁波放射工程、
を包含する。
【請求項６】
前記請求項６記載の誘電率測定方法において、電磁波検出用アンテナの材料は基板温度を３００℃から４５０℃の低温で結晶成長させたＧａＡｓを用い、アンテナ形状をダイポール型とし、放射用アンテナの電極形状はボウタイ型であることを特徴とするテラヘルツ電磁波発生・検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は強度の大きいテラヘルツ電磁波を発生させることができ、高速大容量での無線通信へ応用することのできるテラヘルツ電磁波発生装置に関し、あるいは半導体、誘電体等の材料評価に利用し、特にテラヘルツ帯で使用する素子を構成する材料の複素屈折率などを測定する複素誘電率測定装置としても応用が可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ帯のような産業応用が進んでおらず、未開拓ともいえる周波数領域に対する電磁波源としては、後進波管や分子レーザーなどが用いられてきた。（ここで言うテラヘルツ帯とは０．１ＴＨｚから５ＴＨｚ迄の帯域のことであり、光波の直進性、粒子性を有している最長波長領域であり、同時に電波の透過性を有する最短波長域との重なる帯域を指している。）一方で、検出にはＩｎＳｂ等、固体中の電子ガスの電磁波吸収による抵抗変化を測定するホットエレクトロンボロメーターが多用される。
【０００３】
しかし、これらの電磁波源は周波数が離散的、或いは可変であっても周波数範囲が狭く、得られる電磁波強度も１マイクロワット（μＷ）以下と弱いいため、テラヘルツ帯の電磁波を１ｍから１０ｍの範囲で送受信することは難しかった。
【０００４】
これらの課題を解決するため、パルスレーザー励起の光伝導素子を用いた分光法が１９８５年頃開発された。
【０００５】
この光伝導素子を用いた分光法では、光伝導素子をサブピコ秒の超短光パルスで照射すれば光キャリアの生成により瞬間的に導電性となって電流が過渡的に流れることを利用して電磁波放射を行っている。また、光パルスの照射により瞬間的に導電性となることを利用することにより放射電磁波の検出も行われている。
【０００６】
光パルスを用いた例では、１ＴＨｚ近傍の高周波電磁波に対する試料の応答を測定するための装置として、ＴＤＳ（ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と呼ばれる装置（特許文献１を参照）がある。
【０００７】
図８は従来のＴＤＳの概略構成図である。この図に示すように、ＴＤＳでは、モードロックＴｉ：Ｓａｐｐｉｒｅレーザーなどからなるフェムト秒レーザー２２からの超短パルス光２３をビームスプリッタ２４で分割し、一方の超短パルス光２５（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２５を「第１の超短パルス光」という場合がある）を平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射する。この電磁波放射用アンテナ２８として用いられる平板状の光伝導素子の表面には、図２に示すようにＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるコプラナー型の対電極が設けられており、それらの間には電源３０から電圧が印加される。第１の超短パルス光２５が電磁波放射用アンテナ２８の電極間に照射されると、電子正孔対が瞬時に形成されることによって電磁波放射用アンテナ２８には瞬間的に電流が流れ、このときパルス電磁波３２が放射される。このパルス電磁波３２を第１放物面鏡３１で平行化して試料３４を透過させ、第２放物面鏡３６により電磁波検出用の受信アンテナ２９の裏面に集める。
【０００８】
受信アンテナ２９の表面にはビームスプリッタ２４で分割されたもう一方の超短パルス光２６（超短パルス光を厳密に区別するため、この超短パルス光２６を「第２の超短パルス光」という場合がある）が照射され、その瞬間（すなわち、超短パルス光２６が照射した瞬間）だけ導電性となる。この時点では受信アンテナ２９の電極間に電界が印加されていないので電流は生じない。導電性を示している間に放射アンテナから放射された電磁波が入ってくると、受信アンテナ２９の電極間には電磁波が有している電界が印加されたのと同様の状態となる。一方、光学遅延ステージ４１・４２によって時間遅延を受けた光はその遅延量によって試料３４を透過して来た電磁波３５との相関量が変化する。この相関量が電磁波が有している電界強度に対応した量の電流となって観測される。つまり、電磁波の電界強度が有しているパルス形状に応じた電流量が得られることになる。これが相互相関法による電磁波パルス検出の原理である。以上によって、試料３４を透過して来た電磁波３５と、光学遅延ステージ４１・４２を経由した超短パルス光２６との相互相関信号を電流として検出することができ、テラヘルツ帯域のように通常の電子デバイスでは応答しきれないような高速の電磁波であっても検出が可能となる。
【０００９】
このとき電磁波放射アンテナ２８と電磁波検出用アンテナ２９には、基板温度を３００℃から４５０℃の低温で結晶成長させたＧａＡｓ（低温ＧａＡｓ、ＬＴ−ＧａＡｓという場合がある）を用い、フェムト秒レーザー波長としてはＧａＡｓの吸収端（８７３ｎｍ）よりも短波長の８００ｎｍを使用している。
【００１０】
なお、図８中、１３はレンズ、３０は電源、３４は試料、３７はカレントアンプ、３８はロックインアンプ、３３はオプティカルチョッパ、４０は平面鏡、４１はリトロリフレクタ、４２は移動式光学遅延ステージ、４３はコンピュータを示す。
【００１１】
このテラヘルツＴＤＳ法では、用いられる電磁波が短パルスであるため、コヒーレント性に優れている。このため電磁波の強度と位相から重要な情報が得られ、物性測定用の装置としても応用が可能である。試料３４を透過してきた電磁波波形と試料３４を挿入しない場合の電磁波波形とを比較することにより、広い周波数にわたる電磁波の透過率・位相遅れを計算することができる。この手法によって得られる実データは図７（ａ）に示したような横軸に時間軸をとった時間分解スペクトルが得られるが、これをフーリエ変換することによって図７（ｂ）に示したような横軸が周波数成分となる周波数スペクトルを得ることができる。
【００１２】
ところで、検出用光伝導素子は光パルス照射間に入射してくるパルス電磁場電場によって駆動される電流を検出するが、光パルスの時間幅はパルス電磁波の時間幅よりも数十分の一程度とかなり短い。例えば光パルスは時間幅が０．１ピコ秒程度であり、パルス電磁波の時間幅はアンテナ効率が入るため数ピコ秒程度である。
【００１３】
したがって、光パルスもパルス電磁波も光速で検出用光伝導素子に繰り返し入射するが、各回においてパルス電磁波の最初の部分から最後の部分までが到達する時間に比較して光パルスの照射時間は短い。そのため、光パルスが照射している間の検出用光伝導素子に流れる電流はパルス電磁波の電場のごく短い部分によるものであり、さらに光パルスとパルス電磁波とが検出用光伝導素子に到達するタイミングは時間遅延により固定されている。
【００１４】
光パルスの繰り返し周波数が例えば約１００ＭＨｚの場合、光パルスとパルス電磁波とが毎秒約１０８回検出用光伝導素子に入射してくるが、パルス電磁波の電場のごく短い部分は毎回パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分であり、全く同じ電流が毎秒約１０８回流れることになる。実際の電流計はこのような速い電流の変化に追随できないため、毎秒約１０８回のパルス電流の平均値が測定される。したがって、パルス電磁波波形のうち時間遅延によって決められた部分が電流として測定され、さらに時間遅延をずらしていくことによりパルス電磁波波形の他の部分も測定できる。このようなテラヘルツ電磁波発生・検出装置は、今日ではその出力特性、広帯域特性ともに最も優れたテラヘルツ電磁波発生方法ならびに検出手法の一つとなっている。
【特許文献１】特開２００１−２１５０３号公報
【特許文献２】特開昭６２−２８１４７７号公報
【特許文献３】特開昭６２−１９６８７６号公報
【特許文献４】特開昭６３−０１２１２０号公報
【非特許文献１】Physical Review Letters vol.55(1985),pp.2152-2155
【非特許文献２】InfraredPhysics vol.26(1986),pp.23-27
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前述のＴＤＳ法は現状ではコヒーレントで広帯域な電磁波を発生させうるもっとも簡便な手法であるが、強度においては最大で１０μＷ程度までの放射しか実現しない。また、その帯域も１．５ＴＨｚ程度までは到達しているものの０．３ＴＨｚ付近を最大値としており、１．５ＴＨｚでの強度は０．１μＷ程度にしかなっていない。
【００１６】
テラヘルツ波を通信応用など、空間の伝送に用いるためにはより強力な電磁波が放射される必要がある。また、測定器として用いる場合にも１〜３ＴＨｚの領域で電磁波強度が十分でないとＳ／Ｎがとれず測定値の信頼性が危うくなる。
【００１７】
そこで、より高出力かつ広帯域なテラヘルツ帯電磁波発生装置が必要となる。
【００１８】
一方で、実際により強力な電磁波放射を行おうとしても印加電圧や入射光強度を現状で用いているような１５Ｖ、１５ｍＷ以上にして使用するとアンテナ材料の絶縁破壊が生じてアンテナが壊れてしまうため、従来技術を用いたテラヘルツ電磁波の発生方法では事実上この値がほぼ限界であった。
【００１９】
本発明は上記の課題にかんがみて、高出力であるとともに広帯域な、さらには効率の高いテラヘルツ帯電磁波発生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】
【００２０】
前記目的を達成するためにはまず、素子の降伏電圧を高め、ブレークダウン電圧を向上させる必要がある。そのためにＬＴ−ＧａＡｓのもつ１．４２ｅＶというエネルギーバンドギャップ値よりも大きい材料で放射アンテナ材料を構成し、使用するパルスレーザー波長をその材料に合わせて８００ｎｍよりも短いものを使用する。このことによって印加電圧を１５Ｖ以上、すなわち電界強度を３×１０４Ｖ／ｃｍより大きくすることができる。
【００２１】
また、波長を短くする際に非線形光学材料を用いることでパルスレーザー幅に圧縮効果を施し、発生する電磁波の帯域を広げた。
【００２２】
さらに、より効率よくテラヘルツ電磁波を発生するためにはキャリア濃度を多くする必要もあり、この目的ためにレーザー光強度を１５ｍＷ以上にして電磁波放射を行う。
【００２３】
具体的には、超短パルス光を放射する光源と、電磁波放射用アンテナとを備えたテラヘルツ波発生装置であって、
前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板上に形成され、１．４２ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有している光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
電極間への印加電界強度は３×１０４Ｖ／ｃｍよりも大きい電界であって、
前期突起電極間に波長８００ｎｍ未満であり、かつ平均強度が２０ｍＷよりも大きい超短パルス光を照射することによって電磁波を発生させる。
【００２４】
第２の本発明はこのようなテラヘルツ電磁発生装置の超短パルス光のパルス時間幅は１００フェムト秒以下であり、前記パルス電磁波のパルス時間幅は５ピコ秒以下である。
【００２５】
第３の本発明はこのようなテラヘルツ電磁波発生装置の超短パルス光は波長８００ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒以下の性能を有するフェムト秒レーザーを主光源とし、
主光源より発せられるパルス光を、波長を半分以下とすると同時にパルス幅を圧縮することのできる素子を透過させたパルス光であって、
当該パルス光を電磁波放射用アンテナに照射することによって電磁波を発生させる。
【００２６】
これによって従来よりも大きな電磁波発生が可能となり、それを実現するのには次の方策が必要となる。
【００２７】
すなわち、第４の本発明はこのようなテラヘルツ電磁波発生装置の電磁波放射用アンテナ材料はＡｌ２Ｏ３基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板のいずれかの上に成長したＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０５＜ｘ＜０．４）膜、ＢＡｓ基板上に成長したＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０．５＜ｘ＜０．８）膜、ＧａＡｓ基板上のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ膜（０＜ｘ＜０．８）、ＧａＰ基板上のＡｌｘＧａ１−ｘＰ（０＜ｘ＜０．８）膜、Ｓｉ基板かＧａＰ基板上のＺｎＳｅｘＳ１−ｘ（０＜ｘ＜０．３）膜、石英基板上のＣｕＧａＳｅ２膜のうちのいずれかである。
【００２８】
これによって、課題解決のための手段が示される。また、このテラヘルツ電磁波発生装置を利用することで試料の誘電率測定を１．５ＴＨｚを超えた帯域で精度良く測定することが可能となる。
【００２９】
すなわち、第５の本発明はテラヘルツ電磁波発生装置を含むテラヘルツ電磁波発生・検出装置を用いた、
試料の誘電率の測定方法であって、
超短パルス光を放射する光源と、ビームスプリッタと、電磁波放射用アンテナと、電磁波検出用アンテナと、光学遅延系を備え、
前記光源から放射した超短パルス光は前記ビームスプリッタにより、第１の超短パルス光と第２の超短パルス光とに分割され、
前記第１の超短パルス光が、波長を半分以下とすると同時にパルス幅を圧縮することのできる素子を透過されたのち、平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナに照射されることにより、前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波が放射され、
前記電磁波放射用アンテナから放射されたパルス電磁波は電磁波検出用アンテナの裏面に到達し、
前記第２の超短パルス光は、前記光学遅延系を介して電磁波検出用アンテナの表面に到達し、
前記電磁波放射用アンテナは、半絶縁性基板と、前記半絶縁性基板上に形成され、１．４２ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有している光伝導薄膜と、コプラナー伝送線路とを有し、
前記コプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、前記各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有し、
前記一対の伝送線路本体は平行に配置されており、
前記突起電極は互いに向かい合っており、
前記測定方法は、
前記試料を前記電磁波放射用アンテナと前記電磁波検出用アンテナとの間にセットする試料セット工程、および
前記試料に向けて前記電磁波放射用アンテナからパルス電磁波を放射させることにより、前記試料を透過したパルス電磁波を前記電磁波検出用アンテナの表面に到達させ、前記電磁波検出用アンテナの表面に到達した前記パルス電磁波と前記電磁波検出用アンテナの裏面に到達した第２の超短パルス光との相互相関信号を電流として検出するパルス電磁波放射工程、
を包含する。
【００３０】
第６の本発明はこのようなテラヘルツ電磁波発生装置を含むテラヘルツ電磁波発生・検出装置を用いた誘電率測定方法において、電磁波検出用アンテナの材料は基板温度を３００℃から４５０℃の低温で結晶成長させたＧａＡｓを用い、アンテナ形状をダイポール型とし、放射用アンテナの電極形状はボウタイ型とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明のテラヘルツ帯電磁波放射用アンテナによれば、最大ピーク強度が１０μＷ以上となるテラヘルツ帯電磁波が発生でき、１．５ＴＨｚを超える領域においてであっても１μＷ以上の出力が得られる。このような電磁波放射用アンテナを用いることにより、高出力であるとともに高効率なテラヘルツ帯電磁波発生装置が提供され、５ＴＨｚの帯域まで感度よく電磁波強度を検知でき、物質の誘電率を観測できる測定器としての利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
（実施の形態１）
本発明における課題は発生させるテラヘルツ電磁波の強度増大であり、この課題を克服するために図１に示したような形態で電磁波放射を行う。すなわち、パルス幅１００ｆｓ以下、波長８００ｎｍ、繰り返し周波数８４ＭＨｚのフェムト秒レーザー２２と波長変換用のＳＨＧ素子３９との組み合わせによって超短パルス光源１１が構成され、８００ｎｍ未満の超短パルス光１２が超短パルス光源１１より発せられる。この８００ｎｍ未満の超短パルス光１２はレンズ１３によって集光され、バンドギャップエネルギーが１．４２ｅＶよりも大きい材料で構成されている放射アンテナ２８に照射することでテラヘルツ電磁波３２が高強度で得られる。この放射アンテナ２８には電圧源３０によって電圧印加がされている。
【００３３】
次に図１において示された各部位について説明する。
【００３４】
図２に本発明で用いた電磁波放射用アンテナ１０の外観図を示す。この光伝導素子は、図１において参照符号１０により示される電磁波放射用アンテナとして本発明のテラヘルツ電磁波発生装置に組み込まれる。
【００３５】
この光伝導素子は平板状であって、半絶縁性ＳｉＣ基板上にＣＶＤ法によって６Ｈ−ＳｉＣ膜を１〜５μｍの膜厚でエピタキシャル成長して光伝導薄膜を形成し、その後、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極からなるコプラナー伝送線路を設けた構成となっている。このコプラナー伝送線路は、一対の伝送線路電極本体と、各伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極とを有している。一対の伝送線路電極本体は平行になるように配置され、一対の伝送線路電極本体からそれぞれ突出する突起電極は、互いに向かい合うように形成されている。これら２つの向かい合う突起電極が、微小ダイポールアンテナを形成している。
【００３６】
図３（ａ）には微小ダイポールアンテナの寸法を示してある。コプラナー伝送路の間隔を２０μｍ、突起電極の間隔を５μｍとしておく。
【００３７】
図２ではダイポール型の電極構成で放射アンテナ構造を示しているがこのほかに図３（ｂ）に示すようなボウタイ型の電極構成もまたよく用いられる。この図３（ｂ）に示したボウタイ型においては、突起電極の形状が異なる。図３（ａ）のダイポール型では突起電極は長方形であり、図３（ｂ）のボウタイ型では突起電極は台形である。ボウタイ型の場合、コプラナー伝送路の間隔を２ｍｍ、突起電極の間隔を５μｍ、台形の上底部長さを５μｍとしておく。
【００３８】
いずれの電極構成においても向かい合う２つの突起電極の最小間隔は５μｍであり、レンズ１３（図１参照）を介してアンテナに入射される超短光パルス１２は、向かい合う２つの突起電極の間隔が最小となっている部分（以下、この部分を「電流通過領域」という）に向けて照射される。
【００３９】
このとき電磁波放射アンテナ２８には、ＳｉＣ基板１０１上にＭＯＣＶＤ法で結晶成長させた６Ｈ−ＳｉＣ１０３膜を用い、フェムト秒レーザー２２より発せられる波長８００ｎｍの超短パルス光２３はＳＨＧ素子であるＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）結晶３９を通過させて生じる２次高調波に変換された波長４００ｎｍの超短パルス光１２の成分を用いて電磁波放射アンテナ２８に照射する。
【００４０】
６Ｈ−ＳｉＣのバンドギャップエネルギーは３．０ｅＶ、波長４００ｎｍの超短パルス光１２はエネルギーに換算すると３．１ｅＶである。この条件ならばアンテナの材料が光を吸収しうるものなので、従来技術の説明にて前述したように、２次高調波に変換された超短パルス光１２が電磁波放射用アンテナ２８の電極間に照射されると、電子正孔対が瞬時に形成されることによって瞬間的に電流が流れ、パルス電磁波３２が放射される。
【００４１】
以上の構成において高強度のテラヘルツ波が発生することを説明するためにはまず電磁波の放射原理についての知見が必要である。これまでに得られた実験結果やシミュレーション結果をふまえ、電磁波の放射原理について説明する。
【００４２】
前述の光伝導体スイッチを用いた電磁波放射において、得られる電磁波の強度は次の式で表される。
【００４３】
【数１】
2006145372.tif 000003
【００４４】
このときＩは電磁波強度、Ｐは光伝導体内で生じる電子と正孔による双極子モーメント、ｉは光電流である。つまり、光電流の時間変化に比例した強度の電磁波が得られることになる。これを素電荷量ｅ、キャリア濃度ｎ、移動度μ、印加電界Ｅを用いてさらに詳しく表記すると、右辺のようになる。
【００４５】
この式の右辺からわかるように、Ｉはキャリア濃度の時間変化量と（キャリアの速度）＝（移動度μ）×（電界Ｅ）の時間変化量とに大きく依存する。印加している電界、すなわちアンテナの電極ギャップ間への印加電界は一定であるのでキャリア速度の時間変化量はキャリアの持つ移動度の変化量に依存している。なお、図４に示したように、半導体材料中の移動度μは印加電界に依存している。材料によってその依存性は大きく異なってくるが、その変化量もまた印加電界によって大きく異なる。
【００４６】
ここで重要なのは電磁波強度を決定している要素はキャリア濃度の変化量であることとキャリアが有している移動度の絶対値そのものが効くのではなく、その変化量が強度を支配するということである。このことは、低い電界で高速な（つまり移動度が大きい）材料でなくともアンテナ材料として用いることができることを示している。
【００４７】
図５（ａ）にはアンテナの応答速度に対する電流の減衰特性を示した。電極ギャップ間に電界が印加されている状態のアンテナに７５ｆｓのパルス幅を持つ光が入射した場合のアンテナに発生する電流の時間変化をアンテナの応答速度（時定数）τをパラメーターとして示したものである。キャリアの発生には時間のずれはほとんど生じないためτの大小にかかわらずパルスレーザー光のパルス幅と同じ立ち上がりを示す（時間軸で言うところの負側）。一方で発生したキャリアには材料に応じた時定数が存在するためパルスレーザーの照射が終了していても瞬時に消滅はせず、ある一定の時定数τで電子正孔対が再結合を起こして消滅していく。この過程がキャリアの寿命と呼ばれるものを定義しており、材料に大きく依存する特性である。この結果においてはτの値に伴って電流の減衰していく時間が伸びていく様子がわかる。
【００４８】
図５（ｂ）には電流の減衰特性から得られる放射電磁波強度を示した。これは図５（ａ）において示した電流の減衰特性を（数式１）を用いて表現することで得られる結果である。ここで得られた結果から、アンテナ材料の持つ時定数τと電磁波強度Ｉとは互いに独立であって、どの時定数の場合でも光電流の発生量が等しければ得られる電磁波強度は同じであることがわかった。
【００４９】
従来技術の説明で前述したように、テラヘルツ波はその測定方法として、時間領域スペクトルとしてデータを得た後、フーリエ変換を行って周波数領域スペクトルに変換している。フーリエ変換の特徴として時間領域スペクトルの先幅が細ければ細いほど周波数領域としては帯域が広くなる。このことからテラヘルツ電磁波強度Ｉは電流の変化量で決定され、テラヘルツ電磁波の有する帯域はその変化の幅によって決定されることになる。図５（ｂ）の示すことは時定数τと電磁波強度Ｉとが互いに独立であると同時に帯域に対しては何ら影響を与えないことを示している。逆に、電磁波強度が大きくなることで線幅が狭くなるのであれば同時に帯域を広くすることもできることを示唆している。
【００５０】
以上の事柄をふまえ、テラヘルツ電磁波の強度を増し、帯域を広げるために必要なことは以下の４点である。
１）キャリア濃度の時間変化量を大きくすること。
２）電極間に印加している電界強度を大きくすること。
３）移動度の時間変化量を大きくすること。
４）入射光パルスレーザーのパルス幅を圧縮すること。
【００５１】
再び図１に戻って前述の４つの条件を吟味する。
【００５２】
キャリア濃度の時間変化量を大きくするには照射するレーザー光パルスのピーク強度を大きくすればよく、そのためには放射アンテナ２８に使用している材料をＬＴ−ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーである１．４２ｅＶより大きいバンドギャップエネルギーを有する材料（たとえば６Ｈ−ＳｉＣ。バンドギャップエネルギーは３．０ｅＶ。）を使用する。バンドギャップエネルギーを大きくすることによって降伏電圧が向上し、印加電界に対する強度も増すので電極間に印加している電界強度も高めることができる。電極間に印加している電界強度が高められるとＬＴ−ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーである１．４２ｅＶより大きいバンドギャップエネルギーを有する材料を使用した場合、飽和電子速度の絶対値を高めることができ、これによってパルスレーザーの照射に伴った移動度の時間変化量が増大する。
【００５３】
ここで１．４２ｅＶより大きいバンドギャップエネルギーを有する材料を使用するためにパルスレーザー光の波長をＳＨＧ素子３９で短波長化することになるが、非線形光学効果では入力光パワーの２乗に出力光パワーが比例するので、その際にパルス幅には圧縮がかかり、パルス幅は通常使用時に比べて細くなる。
【００５４】
まとめると、１．４２ｅＶより大きなバンドギャップエネルギーを有するアンテナ材料をそれ以上のエネルギーを有する超短パルス光で照射、かつ波長変換にＬＢＯのような二次高調波発生素子を用いているためパルスを圧縮する効果も得られ、前述の４つの条件はすべて同時に達成することができ、テラヘルツ電磁波の強度を増し、帯域を広げることが可能になる。
【００５５】
以上より、本発明によって最大ピーク強度が１０μＷ以上となるようなテラヘルツ帯電磁波が発生でき、１．５ＴＨｚを超える領域でも１μＷ以上の出力が得られるようなテラヘルツ電磁波発生装置が実現される。
【００５６】
なお、アンテナに使用する材料は１．４２ｅＶより大きなバンドギャップを持つ半導体であれば上記のような効果を有しうるので、Ａｌ２Ｏ３基板、６Ｈ−ＳｉＣ基板、４Ｈ−ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、ＺｎＯ基板のいずれかの上に成長したＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０．０５＜ｘ＜０．４）膜もしくは４Ｈ−ＳｉＣ膜、ＢＡｓ基板上に成長したＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（０．５＜ｘ＜０．８）膜、ＧａＡｓ基板上のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ膜（０＜ｘ＜０．８）、ＧａＰ基板上のＡｌｘＧａ１−ｘＰ（０＜ｘ＜０．８）膜、Ｓｉ基板かＧａＰ基板上のＺｎＳｅｘＳ１−ｘ（０＜ｘ＜０．３）膜、石英基板上のＣｕＧａＳｅ２膜などが挙げられる。
【００５７】
また、２次高調波に変換された超短パルス光１２については必ずしも２次高調波による短波長化を行う必要はなく、パルスレーザーが有している波長変換機能によって短波長化されたパルス光を利用することも可能である。チタンサファイヤレーザーを使用した場合、７００ｎｍ迄の波長変換が可能である。
【００５８】
また同時に、パルスレーザー波長は波長変換機能によって８００ｎｍ未満にして使用できるわけであるから、それに応じてＳＨＧ結晶の位相整合角には最適なものを選べば良く、必ずしもフェムト秒レーザー２２の波長を８００ｎｍ、ＳＨＧ素子３９の位相整合角を４００ｎｍ対応という組み合わせで使用することはない。
【００５９】
つまり、二次高調波に変換された超短パルス光１２の波長としては４００ｎｍ未満３５０ｎｍまでを使用することができる。
【００６０】
本発明は前述の４つの効果を同時に実現しうるものであるため、単純にはどの程度まで放射電磁波強度が増大するかを見積もることはできないが、少なくとも素子のブレークダウン電圧がバンドギャップエネルギーの１．５乗に比例、また、することから３．０ｅＶを有する材料でアンテナを構成した場合、約３倍の印加電圧が可能となる。実際にはこのほかにパルス光強度の増加が可能であり、パルス幅も圧縮によって短くなっているため発生するキャリア濃度の時間変化とキャリアの速度変化も同時に大きくできうる。
【００６１】
さらに、基板に用いている材料が有している比誘電率はＧａＡｓ基板で１３程度であるのに対してＳｉＣ基板の場合で９程度まで低くできるので素子表面で発生して放射される電磁波が基板部を通過するときの損失が低減できる。ＳｉＣ以外の材料を用いることを考えて、アンテナ材料の組み合わせを適切に選択すれば、より放射効率は向上する。
【００６２】
（実施例）
実施の形態に従って、実際に１．４２ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有する材料で構成される光伝導素子を用いた場合の実験結果を示す。光伝導素子材料にはＳｉＣを用いた。このＳｉＣ光伝導素子は、半絶縁性ＳｉＣ基板上に熱ＣＶＤ法によって４５０℃から６５０℃程度の基板温度にてＳｉＣ膜を３μｍの膜厚でエピタキシャル成長して光伝導薄膜を形成し、次いでその表面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極からなるコプラナー伝送線路を設けた構成となっている。なお、この電極構造としては、図３（ｂ）に示すボウタイ型を採用した。
【００６３】
得られる電磁波は１．５ＴＨｚ以上の超広帯域波を含んでおり、検知時の帯域を広くとることを考慮しないのであればホーンアンテナなどの帯域遮断型アンテナで導波管へ導き、フォトニックミキサーおよびハーモニックシンセサイザーによるダウンコンバート式の検出や２ＴＨｚ程度までであればカロリーメーターを利用したパワーメーターでの検知も考えられるが、本実験では感度、分解能、広帯域性を加味して前述のテラヘルツＴＤＳ法を採用した。その光学系は図６に示してある。
【００６４】
テラヘルツＴＤＳ法は前述したように、超短パルスレーザーを用いたテラヘルツ波の発生と検知を同時に扱うことができ、特に検知においては簡便かつ高感度な検出方法である。本実験で用いた構成は図６に示してある。
【００６５】
この図に示すように、ＴＤＳではフェムト秒レーザー２２からの超短パルス光２３をビームスプリッタ２４で分割し、第１の超短パルス光２５をＢＬＯ結晶からなるＳＨＧ素子３９で波長変換し、平板状の光伝導素子からなる電磁波放射用アンテナ２８に照射する。この電磁波放射用アンテナ２８として用いられる平板状の光伝導素子の表面には、図２に示すようにＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるコプラナー型の対電極が設けられており、それらの間には電源３０から電圧が印加される。波長変換が施された超短パルス光１２が電磁波放射用アンテナ２８の電極間に照射されると、電子正孔対が瞬時に形成されることによって電磁波放射用アンテナ２８には瞬間的に電流が流れ、このとき（数式１）記載の式に応じたパルス電磁波３２が放射される。このパルス電磁波３２を第１放物面鏡３１で平行化し、第２放物面鏡３６により電磁波検出用アンテナ２９の裏面に集める。
【００６６】
電磁波検出用アンテナ２９の表面にはビームスプリッタ２４で分割された第２の超短パルス光が照射され、その瞬間（すなわち、超短パルス光２６が照射した瞬間）だけ導電性となる。この時点では受信アンテナ２９の電極間に電界が印加されていないので電流は生じない。導電性を示している間に放射アンテナから放射された電磁波が入ってくると、受信アンテナ２９の電極間には電磁波が有している電界が印加されたのと同様の状態となる。一方、光学遅延ステージ４１・４２によって時間遅延を受けた光はその遅延量によって第２放物面鏡３６により集められた電磁波３２との相関量が変化する。この相関量が電磁波が有している電界強度に対応した量の電流となって観測される。
【００６７】
このとき電磁波放射アンテナ２８の光伝導素子材料には６Ｈ−ＳｉＣを、電磁波検出用アンテナ２９には、基板温度を３００℃から４５０℃の低温で結晶成長させたＬＴ−ＧａＡｓを用いている。フェムト秒レーザー２２の波長としては８００ｎｍを使用し、ＬＢＯ結晶で構成されるＳＨＧ素子３９により波長変換された超短パルス光１２の波長は４００ｎｍとしている。
【００６８】
なお、図６中、１３はレンズ、３０は電源、３７はカレントアンプ、３８はロックインアンプ、３３はオプティカルチョッパ、４０は平面鏡、４１はリトロリフレクタ、４２は移動式光学遅延ステージ、４３はコンピュータを示す。
【００６９】
本実験では広帯域性を重視しているので受信側アンテナの電極構造としてはボウタイ型に比べて広帯域特性の良いダイポール型（図３（ａ）参照）を用いている。材料としてはＬＴ−ＧａＡｓを光伝導素子として使用し、放射用アンテナのアンテナ電極形状は放射強度をより稼ぐため、ボウタイ型とした。
【００７０】
このとき、放射アンテナへの印加電圧を５０Ｖ（電界強度は１００ｋＶ／ｃｍ）、平均入射光強度を４０ｍＷとして実験を行う。
【００７１】
図７に実験結果を示す。図７（ａ）において黒丸の点、図７（ｂ）において白抜きの四角で示したものが放射用アンテナ材料にＬＴ−ＧａＡｓ光伝導素子（従来用いてきたもの）を用いた場合の実験結果で、アンテナ材料を本発明による６Ｈ−ＳｉＣにした場合の結果を実線で示してある。縦軸に電磁波強度を、横軸に時間軸をとった場合に得られる結果は図７（ａ）に示したようなスペクトル形状であり、アンテナ材料を６Ｈ−ＳｉＣとし、パルス光の波長を４００ｎｍに変換して照射することによって時間軸上のスペクトル線幅が細くなっていることがわかる。このことは周波数表示に変換した場合に高周波領域の強度が大きくなっていることを意味している。
【００７２】
図７（ｂ）で得られた結果をフーリエ変換することによって発生している電磁波のスペクトル分布表示縦軸：強度、横軸：周波数に変換することができ、図７（ｂ）に示したようなスペクトル分布が得られる。すなわち、ＬＴ−ＧａＡｓ光伝導素子を用いた場合には、周波数が約０．１ＴＨｚのところにパルス電磁波の強度のピークが生じるのに対して、アンテナ材料をＳｉＣとし、パルス光の波長を４００ｎｍに変換して照射した場合には、周波数が約０．５ＴＨｚのところにパルス電磁波の強度のピークが生じる。
【００７３】
図７（ｂ）に示したようにアンテナ材料をＳｉＣとし、パルス光の波長を４００ｎｍに変換して照射することにより１．５ＴＨｚ以上の周波数領域においてスペクトル強度が増え、高出力かつ高効率なテラヘルツ帯電磁波の発生および検出が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明により、高出力かつ高効率なテラヘルツ帯電磁波の発生・検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係る実施の形態の概略構成図
【図２】テラヘルツ帯電磁波発生装置に係るダイポール型光伝導素子を示した図
【図３】テラヘルツ帯電磁波発生装置に係るアンテナ電極の概略構成図（ａ）ダイポール型電極を示す図（ｂ）ボウタイ型電極を示す図
【図４】電子のドリフト速度と電界強度の関係を示す図
【図５】光伝導素子に発生する電流とその際に生じるテラヘルツ波強度の関係図（ａ）発生電流の時間変化を示す図（ｂ）電流変化より割り出されるテラヘルツ電磁波強度の時間変化を示す図
【図６】本発明のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係る実施例の概略構成図で、本発明のテラヘルツ帯電磁波発生装置により発生した電磁波を検知する測定系を示した図
【図７】本発明のテラヘルツ帯電磁波発生装置に係る実施例において得られる実験結果と従来の実験結果との比較図（ａ）この発明に係る遅延時間に対する電流信号を示すグラフ（ｂ）（ａ）のデータからフリーエ変換されたスペクトル分布を示すグラフ
【図８】従来のテラヘルツＴＤＳの概略構成図
【符号の説明】
【００７６】
１０    電磁波放射用アンテナ
１１    超短パルス光源
１２    波長変換された超短パルス光
１３    レンズ
２４    ビームスプリッタ
２５    第１の超短パルス光
２６    第２の超短パルス光
２８    電磁波放射用光伝導素子、放射アンテナ
２９    電磁波検出用光伝導素子、受信アンテナ
３０    電源
３１，３６    放物面鏡
３２    放射電磁波
３４    試料
３５    試料透過後のテラヘルツ電磁波
３８    ロックイン増幅器
３９    ＬＢＯ結晶で構成されるＳＨＧ素子
４０    平面鏡
４１    リトロリフレクタ
４２    移動ステージ
４３    コンピュータ
【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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