(57)【要約】入射電磁波パルス（２００）を微分するデバイス（１００）および方法である。導電性格子（１１０）にはサブ波長周期、電磁ビーム径より大きい面積、および導体における電磁パルスのスキンデプスより大きい格子導体厚が提供される。その格子導体（１１０）は電磁パルスを回折させるために入射電磁パルスに対し実質的に平行の方向性をもたされている。開口は入射電磁パルスの第１の時間導関数である電磁パルスのゼロ次回折のみを捕獲する。【選択図】図４
2005503582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射電磁波を回折させる格子であって、該格子は、該入射電磁波を回折させるように堆積される平行な導体を有し、それにより、該導体が該入射電磁波と実質的に平行な向きを有する場合、該電磁波の０次回折は該入射電磁波のタイムドメイン導関数となり、該電磁波は、波長および該導体におけるスキンデプスを有し、該導体は、該波長よりも短い周期、該スキンデプスよりも大きい厚さ、および該波長より長い長さを有する、格子。
【請求項２】
前記電磁波が１テラヘルツより大きい周波数を有する、請求項１に記載の格子。
【請求項３】
前記導体が透明基板上に形成された金属線パターンを含む、請求項１に記載の格子。
【請求項４】
前記タイムドメイン導関数が電流を使用することなく提供される、請求項１に記載の格子。
【請求項５】
前記周期が２と２の自然対数との積により割算された波長より短い、請求項１に記載の格子。
【請求項６】
前記入射電磁波が前記波長に対応する中心周波数を有するパルスを含み、前記格子が該中心周波数の約０．３倍から１．５倍の間のスペクトラル動作周波数範囲を提供する、請求項５に記載の格子。
【請求項７】
タイムドメイン微分器であって、
波長およびスキンデプスおよびビーム径を有する偏光入力電磁波を提供する信号ソースと、
該ビーム径より大きい面積の格子面を有し、該格子面に入射する該偏光入力電磁波を受領し、該偏光入力電磁波を回折するように配置された、０次回折を提供する格子であって、該格子面は該波長より短い周期および該スキンデプスより大きい厚さを有する平行の導体を含み、該導体は該偏光入力電磁波に実質的に平行の方向性を有する、格子と、
該回折された偏光入力電磁波の０次回折のみを捕獲するようなサイズと位置を有する開口であって、該０次回折は該偏光入力電磁波のタイムドメイン導関数に実質的に等しい電磁波である、開口と
を含むタイムドメイン微分器。
【請求項８】
前記電磁波が１テラヘルツより大きい周波数を有する、請求項７に記載のタイムドメイン微分器。
【請求項９】
前記導体が透明基板上に形成された金属線パターンを含む、請求項７に記載のタイムドメイン微分器。
【請求項１０】
前記タイムドメイン導関数が電流を使用することなく提供される、請求項７に記載のタイムドメイン微分器。
【請求項１１】
前記周期が、２と２の自然対数との積で割算された波長よりも短い、請求項７に記載のタイムドメイン微分器。
【請求項１２】
前記入射偏光入力電磁波が、前記波長に対応する中心周波数を有するパルスを含み、前記格子が該中心周波数の約０．３倍から１．５倍の間のスペクトラル動作周波数範囲を提供する、請求項１１に記載のタイムドメイン微分器。
【請求項１３】
電磁パルスのタイムドメイン微分を行う方法であって、
微分される電磁パルスを特定する工程であって、該パルスは波長、中心周波数、導体のスキンデプスおよびビーム径を有する、工程と、
該導体から構成される、間隔が空けられた平行な導体列を含み、該波長より短い周期、該スキンデプスより大きい厚さ、該ビーム径より大きい面積および該波長より長い長さを有する回折格子を提供する工程と、
該電磁パルスが該回折格子に入射しかつ該導体列に沿って整列するように方向性をもたせる工程と、
該入射電磁パルスの前記０次回折のみを捕獲する工程と
を含む電磁パルスのタイムドメイン微分を行う方法。
【請求項１４】
前記電磁パルスが１テラヘルツより大きい周波数を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記導体が透明基板上に形成された金属線パターンを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記タイムドメイン導関数が電流を使用することなく提供される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記周期が２と自然対数２との積で割算された波長より短い、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記入射電磁パルスが前記波長に対応する中心周波数を有するパルスを含み、前記格子が該中心周波数の約０．３倍から１．５倍の間のスペクトラル動作周波数範囲を提供する、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（技術分野）
本発明は概して電磁波のタイムドメイン微分を行うためのデバイスおよび方法に関するもので、特に、テラヘルツ周波数範囲における電磁パルスのタイムドメイン微分を行うためのデバイスと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
電磁パルスの時間導関数は演算増幅器を持つアナログ微分器を用いて取得することが可能である。これらのアナログ微分器は例えばＢ．  Ｖａｓｓｏｓ  およびＧ．Ｅｗｉｎｇにより「Ａｎａｌｏｇ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ」（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ａｎｄ  Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．第４版  １９９３年）に記述されている。それらの微分器は巨視的電流および変位電流を使用する。
【０００３】
演算増幅器を用いたアナログ微分器の帯域幅は使用される電子機器の抵抗、キャパシタンスおよびインダクタンスによって制限される。演算増幅器の帯域幅はまたアナログ微分器の帯域幅を制限する。集積された抵抗器、コンデンサーおよびインダクタでさえ、それらの電子コンポーネントを使用したアナログ微分器の帯域幅を数十ギガヘルツ域内の周波数を持つ帯域幅に制限する。
【０００４】
回折格子は様々な信号処理用途に使用される。例えばＹｏｓｈｉｄａらに付与された米国特許第５，１０１，２９７号は光学素子による回折格子を製造する方法に関するものである。図１ａおよび図１ｂは非線形光学材料を含む基板の中間部分に線条光導波管が形成される光波長変換素子を示している。１０パーセントのＳｎＯ２を混ぜたＩｎ２Ｏ５からなる焼結ターゲットを用いて、インジウム酸化錫（ＩＴＯ）膜が光導波管を含む基板の上に透明導体膜として約０．１マイクロメートルの厚さまで堆積される。ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）膜がＩＴＯ膜の上に電子ビームレジスト膜として形成され硬化される。回折パターンがＰＭＭＡ膜の上に電子ビームを用いて描かれ、ＰＭＭＡ膜が現像されて回折格子が形成される。Ｙｏｓｈｉｄａらは光学的結合の目的のために開示された回折格子を使用することを示唆している。他の例の、Ｔａｙｌｏｒに付与された米国特許第６，０３１，２４３号は電磁波を結合するためにブレーズ格子を使用する垂直空洞光電子機器に関するものである。
【０００５】
Ｔｒｏｘｅｌｌらに付与された米国特許第５，９５３，１６１号では赤外線（ＩＲ）画像システムにおいて回折格子アレイが使用されている。その回折格子は、ＩＲ検出器に当てるための所定の角度で所定のＩＲ波長のＩＲ照射を回折させるために、アクティブな状態で使用される。アクティブでない状態では、その回折格子は所定の角度で所定の波長のＩＲ照射を回折させない。その回折格子は複数の一定幅の平行のバーを有し、各バーの幅は隣接するバーの間の間隔の約半分の幅である。各バーは基板の上にかつ基板と平行に吊るされている。そのバーは光学的に反射しかつ導電性のあるコーティングが提供され、バーの下にある基板の上にも同様のコーティングが提供されている。その回折格子はバーを変形させる電位を印加することによりアクティブ状態に切り替えられる。
【０００６】
Ａ．Ｃｈｕｒｐｉｎらによる刊行物「Ｐｈａｓｅ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  ｏｆ  Ｔｈｉｃｋ  Ｍｅｔａｌ  Ｇｒａｔｉｎｇ」Ｐｒｏｃ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ＰｒｏＰｏｇ．１４５，４１１（１９９８）は周波数２０ギガヘルツ（ＧＨｚ）未満におけるＥ偏光透過の反射および透過係数位相に周波数および入射角の独立性を提供するための厚手メタル格子の周期性（＜＜λ）設定に関するものである。この刊行物はこのような格子は偏光回転子および電力分配器構築に有用であり得ることを示唆している。開示されているのは基準面が格子導体の対称面と一致する場合の透過した波の９０度の位相のずれである。
【０００７】
Ｊ．Ｗｈｉｔｅらによる別の刊行物「Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｐａｉｒｓ  ｔｏ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｙｃｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｐｕｌｓｅｓ」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、Ｖｏｌ．１２、Ｎｏ．９、ｐ．１６８７（Ｓｅｐｔ．１９９５）は回折格子により形成されるタイムドメインパルスに関するもので、様々な格子についての実験的時間分解データを提供している。Ｋ．ＷｙｎｎｅおよびＤ．Ｊａｒｏｓｚｙｎｓｋｉによる別の刊行物「Ｓｕｐｅｒｌｉｍｉｎａｌ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｐｕｌｓｅｓ」Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ．１（Ｊａｎ．１９９９）はシリコンオンサファイアチップを通じて透過されたテラヘルツパルスの時間分解実験に関するもので超光速透過を提示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
演算増幅器使用のアナログタイムドメイン微分器が公知であるが、テラヘルツ周波数範囲で動作可能で、かつ適切な動作帯域幅が提供可能なタイムドメイン微分器への要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
これらおよびその他の要望をかなえるため、およびその目的の見地から、本発明の例示的な実施形態は入射電磁パルスを微分するデバイスおよび方法を提供するものである。伝導性格子にはサブ波長周期、電磁ビーム径より大きい面積、および電磁パルスのスキンデプスより大きい格子導体厚が提供される。その格子導体は電磁パルスを回折させるために入射電磁パルスに対し実質的に平行の方向性をもたされている。開口は入射電磁パルスの第１の時間導関数である電磁パルスのゼロ次回折のみを捕獲する。
【００１０】
ここに記載した一般的な説明ならびに以下の詳細な説明は本発明を例示するに過ぎず、本発明を限定するものではないことが理解されるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は以下の詳細な説明を添付図面と関連づけて読むことで最も良く理解される。慣例により、図面の種々の部品は一定の縮尺を用いては描かれていないことに留意されたい。逆にこれらに記載の寸法は明確さのため任意に拡大あるいは縮小されている。図面に含まれるのは以下で説明する図である。
【００１２】
ここで図面を参照する。図面全体を通じ同一の参照符号は同一の要素を指す。図１および図２は本発明の例示的な実施例によるタイムドメイン微分器において用いられる回折格子１００を示す。格子１００は複数の平行な導体１１０を含み、その平行な導体１１０は光学的に透明な基板１０２上に形成されている。導体１１０は入射入力信号２００（図４に示す）の物理的パラメーター、特に波長（λ）２１０に対応するようなサイズにされる。
【００１３】
導体１１０のそれぞれは幅１１１および周期１１２（１つの導体の始まりから次の導体の始まりまでの距離）を有している。幅１１１は周期１１２の約１／２の幅であり、周期１１２は入射入力信号２００の波長２１０より小さい。導体１１０は導体における入射入力信号２００のスキンデプス２１４（図３に示す）よりも大きい厚さ１１４を有する。導体１１０における入射入力信号２００のスキンデプス２１４は入射入力信号２００が導体１１０を貫通する厚さであり、それは入射入力信号２００の周波数および導体１１０を含む材料によって決定される。厚さ１１４はスキンデプス２１４より大きく、従って入射入力信号２００は導体１１０により回折され、導体１１０を貫通しない。
【００１４】
導体１１０は多くの伝導性材料のいずれかを含み得る。その中には金（Ａｕ）が含まれるが金（Ａｕ）に限定されるものではない。格子１００は例えば選択的金属堆積によって、あるいはｅ−ｂｅａｍ蒸着などによるブランケット堆積層をパターニングすることによって形成され得る。基板１０２は例えばシリコンウェハーあるいはＭｙｌａｒ（登録商標）フォイルであり得る。導体１１０（および格子１００）は波長２１０より長い長さ１１６を有する。格子１００は周期１１２と導体１１０の個数との積に等しい幅１１８を有する。回折格子１００は長さ１１６と幅１１８との積に等しい面積を有する。その面積は入射入力信号２００をカバーするために十分な面積である。
【００１５】
図３で示されるように本発明の例示的な実施形態において回折格子１００は入射入力信号２００（すなわち電磁波）を回折させるように配置されている。導体１１０は入射入力信号２００に実質的に平行の方向性をもたされている。入射入力信号２００は回折格子１００の幅１１８に対し約９０度の入射角２５０で回折格子１００に入る。入射入力信号２００は回折格子１００によって０次回折信号３０１、１次回折信号３０２、２次回折信号３０３およびさらに低次の回折信号（図示せず）へと回折される。開口４０５は０次回折信号３０１のみを出力信号として透過させるように配置されており、この０次回折信号３０１は入射入力信号２００のタイムドメイン導関数である。
【００１６】
本発明は、現行の微分器における電流のかわりに光学電磁波として提供される入力信号のタイムドメイン微分を提供するものである。光学波の微分はテラヘルツ領域の周波数を有する信号の微分を提供する。そのような周波数は現行の高速信号処理用途を容易にするものである。
【００１７】
本発明の例示的な実施形態において、入射入力信号２００は周波数変動を持つ中心周波数を有する。波長２１０は中心周波数の逆数である。回折格子１００の周期１１２は２と２の自然対数との積で割算された波長２１０よりも短いものである。この例示的な実施形態では回折格子１００は中心周波数の約０．３倍から１．５倍の間のスペクトラル動作周波数範囲を提供する。このスペクトラル領域は電流微分器のスペクトラル領域よりも非常に大きい。
【００１８】
次に図４を参照すると、タイムドメイン微分器１０が示されている。タイムドメイン微分器１０は、微分される電磁パルス（入射入力信号２００）のビーム径より広い面積をもつ格子面１２０を有する格子１００を含む。ビーム径は入射入力信号２００の伝搬方向２６０に対して垂直のパルスでカバーされる面積である。格子１００は格子面１２０に入射するパルスを受領し、そのパルスを回折するように配置される。
【００１９】
信号ソース５００は入射入力信号２００（すなわち電磁波）を格子１００に提供する。入射入力信号２００は、波長２１０、格子１００の導体１１０におけるスキンデプス２１４、およびビーム径（図示せず）を有する。入射入力信号２００は例えば伝搬方向２６０にほぼ垂直であり導体１１０に平行な電界２７０によって偏光される。電界２７０は入射入力信号２００に導体１１０の長さ１１６（図１に示す）にほぼ沿った方向性をもたせる。
【００２０】
出力テラヘルツパルス５０１（０次回折に基く）は伝搬方向２６０において格子面１２０と反対側の回折格子１００から伝搬する。開口４０５（図３に示す）は光ファイバーケーブル、導波管などを通して透過され得る出力パルス５０１のみを捕獲する。出力パルス５０１は入射入力信号２００のタイムドメイン導関数である。出力パルス５０１（すなわちタイムドメイン導関数）は非常に多くの信号処理用途において有用であり得、その中には、非常にシャープな信号ピークに起因する超高速信号の正確な起動、ジッター低減アルゴリズムに使用されるマーカー、正確なクロック信号および、分光学で使用される誘電体応答関数の実数部分と虚数部分との交換が含まれるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
次に図５を参照すると、上述したように、約２テラヘルツの周波数を有する入射入力パルス２００Ａが種々の微分器１０Ａに提供されている。タイムドメイン微分器１０Ａは１０マイクロメートルから４０マイクロメートルの周期および約５０％の被覆率（すなわち導体幅１１１Ａは周期１１２Ａの１／２である）を有する１０ｍｍ×１０ｍｍの金製格子１００Ａを含む。厚さ１１４Ａは１ＴＨｚ（約３０ｎｍ）における金のスキンデプスより格段に大きい約２００ｎｍである。入射入力パルス２００Ａは波長７７０ｎｍでありパルスエネルギー５ｎＪである７０ｆｓレーザーパルスによるｎドーピングＩｎＡｓ結晶励振によって発生する。入力パルス２００Ａの中心周波数は約２．２５ＴＨｚであり、これは約１３０マイクロメートルの波長に対応するものである。開口４０５Ａは格子１００Ａからの０次回折３０１Ａのみを捕獲する。入射入力パルス２００Ａおよび出力パルス５０１Ａはテラヘルツタイムドメイン分光（ＴＨｚＴＤＳ）を用いて計測され、理論上の出力信号５０１Ｃが算出された。図５に示すように、計測されたタイムドメイン微分器１０Ａからの出力パルス５０１Ａは入射入力パルス２００Ａのタイムドメイン導関数である理論上の出力信号５０１Ｃとの非常によい相関関係を示している。
【００２２】
本発明の例示的な実施形態において、電磁パルスのタイムドメイン微分を行う方法が提供される。微分されるべき電磁パルス（またはパルスの領域）が特定される。例えば、波長、中心周波数、導体のスキンデプスおよびパルスのビーム径が決定される。導体により構成された間隔が開けられた平行の導体線を含み、波長より短い周期、スキンデプスより大きい厚さ、ビーム径より大きい面積、および波長より長い長さを有する回折格子が提供される。回折格子は電磁パルスが回折格子に入射しかつ導体線に沿って整列するような方向性をもっている。入射電磁パルスの０次回折のみが捕獲され、その０次回折は入力パルスのタイムドメイン導関数である。
【００２３】
ある特定の実施形態について上で詳細に述べたが、本発明はしかしながらここに示された詳細に限定されるように意図されていない。むしろ、細部にわたる様々な改変が特許請求の範囲の等価物の範囲内で、本発明から逸脱することなしになされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の例示的な実施形態による回折格子の図である。
【図２】図２は、図１に記載の回折格子の、線分２−２に沿った断面図である。
【図３】図３は、本発明の例示的な実施形態による回折格子によって回折された入射電磁信号を示す図である。
【図４】図４は、本発明の例示的な実施形態によるタイムドメイン微分器を示す図である。
【図５】図５は、図４に記載のタイムドメイン微分器の入射パルス、タイムドメイン微分器からの出力パルス、および入射パルスの算出導関数の計測データを示す図である。
【図５】
2005503582.tif 000003
【国際公開パンフレット】
2005503582.tif 000004
2005503582.tif 000005
2005503582.tif 000006
2005503582.tif 000007
2005503582.tif 000008
2005503582.tif 000009
2005503582.tif 000010
2005503582.tif 000011
2005503582.tif 000012
2005503582.tif 000013
2005503582.tif 000014
2005503582.tif 000015
2005503582.tif 000016
2005503582.tif 000017
2005503582.tif 000018
2005503582.tif 000019
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005503582.tif 000020
2005503582.tif 000021
【国際調査報告】
2005503582.tif 000022
2005503582.tif 000023