(57)【要約】【課題】小型高分解能のテラヘルツ分光器およびテラヘルツセンシングシステムを提供する。【解決手段】テラヘルツ分光器３０は、２ＤＰＣスラブ１２と、２ＤＰＣスラブ内に周期的に配置され、フォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、格子点の線欠陥により形成される第１の２ＤＰＣ導波路１４（Ｉ）、１４（０２）および第２の２ＤＰＣ導波路１４（０３）、１４（０４）と、第１および第２の２ＤＰＣ導波路間をモード結合可能な２ＤＰＣ共振器２０と、第１の２ＤＰＣ導波路にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔと、第２の２次元フォトニック結晶導波路を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出素子モジュール１００Ｒとを備え、テラヘルツセンシングシステムは、このテラヘルツ分光器を搭載する。【選択図】図２
2018017684.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第１の２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第２の２次元フォトニック結晶導波路と、
前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路とをモード結合可能な２次元フォトニック結晶共振器と、
前記第１の２次元フォトニック結晶導波路にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ送信素子モジュールと、
前記第２の２次元フォトニック結晶導波路を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出素子モジュールと
を備えることを特徴とするテラヘルツ分光器。
【請求項２】
前記２次元フォトニック結晶共振器は、前記格子点の任意の個数分の共振器形成用線欠陥により形成されたことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項３】
前記第２の２次元フォトニック結晶導波路は、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と平行に配置されることを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項４】
前記２次元フォトニック結晶共振器は、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路との中間に互いに平行に配置されることを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項５】
前記格子点は三角格子に配置され、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記２次元フォトニック結晶共振器は、前記三角格子の高さＡ＝√３ａ／２の整数倍離隔して配置されることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項６】
前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路は、前記三角格子の高さＡ＝√３ａ／２の整数倍離隔して配置されることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項７】
前記格子点は三角格子に配置され、前記共振器形成用線欠陥の両端部の格子点は、周期的な格子点に対して、格子定数ａの０．１５倍互いに離隔する方向にシフトしていることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項８】
前記共振器形成用線欠陥は、前記格子点の３個分の線欠陥により形成されたことを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項９】
前記第１の２次元フォトニック結晶導波路は、入力ポートを備え、
前記第２の２次元フォトニック結晶導波路は、出力ポートを備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１０】
前記入力ポートは、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記フォトニック結晶スラブの端面に配置され、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した第１断熱的モード変換機構部を備え、
前記出力ポートは、前記第３の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した前記フォトニック結晶スラブの端面に配置され、前記第３の２次元フォトニック結晶導波路が延伸した第３断熱的モード変換機構部を備えることを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１１】
前記断熱的モード変換機構部は、前記２次元フォトニック結晶スラブの平面視において、前記２次元フォトニック結晶スラブの前記端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えることを特徴とする請求項１０に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１２】
前記テラヘルツ送信素子モジュールは、共鳴トンネルダイオードを備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１３】
前記共鳴トンネルダイオードに集積化されたアンテナを備えることを特徴とする請求項１２に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１４】
前記アンテナは、ダイポールアンテナ、パッチアンテナ、ボータイアンテナ若しくはスロットアンテナのいずれかを備えることを特徴とする請求項１３に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１５】
前記テラヘルツ送信素子モジュールは、面放射型の放射パターンを有することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１６】
前記テラヘルツ送信素子モジュール若しくは前記テラヘルツ検出素子モジュールは、ＣＡＮパッケージに封止されたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１７】
前記テラヘルツ送信素子モジュールは、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路上にハイブリッド集積化配置されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１８】
前記テラヘルツ検出素子モジュールは、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路上にハイブリッド集積化配置されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項１９】
前記第２の２次元フォトニック結晶導波路と接続されたミキサと、
前記ミキサに接続されたスペクトルアナライザを備えることを特徴とする請求項１〜１８のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項２０】
前記テラヘルツ検出素子モジュールは、共鳴トンネルダイオード若しくはショットキーダイオードを備えることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器を備えることを特徴とするテラヘルツセンシングシステム。
【請求項２２】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載のテラヘルツ分光器を複数段連結接続したことを特徴とするテラヘルツセンシングシステム。
【請求項２３】
２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第１の２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第２の２次元フォトニック結晶導波路と、
前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路とをモード結合可能な２次元フォトニック結晶共振器と、
前記第１の２次元フォトニック結晶導波路上にハイブリッド集積化配置され、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ送信素子モジュールと、
前記第２の２次元フォトニック結晶導波路上にハイブリッド集積化配置され、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出素子モジュールと
を備えることを特徴とするテラヘルツセンシングシステム。
【請求項２４】
前記テラヘルツ送信素子モジュールは、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路上にフリップチップに配置され、前記テラヘルツ検出素子モジュールは、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路上にフリップチップに配置されたことを特徴とする請求項２３に記載のテラヘルツセンシングシステム。
【請求項２５】
前記テラヘルツ送信素子モジュールを駆動する第１の駆動モジュール制御回路と、
前記テラヘルツ検出素子モジュールを駆動する第２の駆動モジュール制御回路と
を備え、環境変化をモニター可能であることを特徴とする請求項２３または２４に記載のテラヘルツセンシングシステム。
【請求項２６】
２次元フォトニック結晶スラブと、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第１の２次元フォトニック結晶導波路と、
前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第２の２次元フォトニック結晶導波路と、
前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路とをモード結合可能な２次元フォトニック結晶共振器と、
前記２次元フォトニック結晶共振器上に搭載された抗体と
を備えることを特徴とするテラヘルツ分光器カートリッジ。
【請求項２７】
カートリッジ載置部と、
前記カートリッジ載置部上に配置され、第１の２次元フォトニック結晶導波路にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ可変光源と、
前記カートリッジ載置部上に配置され、第２の２次元フォトニック結晶導波路を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と
を備えることを特徴とするセンサヘッドモジュール。
【請求項２８】
請求項２６に記載のテラヘルツ分光器カートリッジと、
請求項２７に記載のセンサヘッドモジュールと
を備え、前記センサヘッドモジュール上に前記テラヘルツ分光器カートリッジを載置し、抗原を含む検体と前記抗体との抗原抗体反応を検出可能なことを特徴とするテラヘルツセンシングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施の形態は、テラヘルツ分光器およびテラヘルツセンシングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電波と光波の中間の周波数に位置するテラヘルツ波帯（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）では、センサ・イメージング応用や超高速無線通信などの研究が活発化しており、その産業化が期待されている。しかし、現状では、テラヘルツ波システムは、大型、立体構造の部品で構成されているため、大型かつ高価である。システム全体を小型化するためには、デバイスを集積化したテラヘルツ波集積回路の実現が不可欠である。
【０００３】
分光分析を行うためには、広帯域なパルス光源もしくは周波数可変のＣＷ光源が必要とされる。テラヘルツ帯においては、これらの光源として光伝導アンテナや単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ: Uni-Traveling Carrier Photodiode）、テラヘルツ帯逓倍器などが存在するが、何れもシステムサイズが大きい上に、コストが高く、研究向け以外に普及しにくいという現状がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０８５３５９号公報
【特許文献２】特開２００４−０８５３５８号公報
【特許文献３】特開２０００−３５２５５８８号公報
【特許文献４】国際公開第ＷＯ００／０７９２４８号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】岡本和馬、久武信太郎、冨士田誠之、および永妻忠夫、“高Ｑ値フォトニック結晶共振器によるテラヘルツ波センシングの高感度化に関する検討”、第７６回応用物理学会秋季学術講演会  講演予稿集、１４ａ−２Ｓ−８、２０１５年９月１４日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施の形態は、小型高分解能のテラヘルツ分光器およびテラヘルツセンシングシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施の形態の一態様によれば、２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第１の２次元フォトニック結晶導波路と、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第２の２次元フォトニック結晶導波路と、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路とをモード結合可能な２次元フォトニック結晶共振器と、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ送信素子モジュールと、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出素子モジュールとを備えるテラヘルツ分光器が提供される。
【０００８】
本実施の形態の他の態様によれば、上記のテラヘルツ分光器を備えるテラヘルツセンシングシステムが提供される。
【０００９】
本実施の形態の他の態様によれば、上記のテラヘルツ分光器を複数段連結接続したテラヘルツセンシングシステム提供される。
【００１０】
本実施の形態の他の態様によれば、２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第１の２次元フォトニック結晶導波路と、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第２の２次元フォトニック結晶導波路と、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路とをモード結合可能な２次元フォトニック結晶共振器と、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路上にハイブリッド集積化配置され、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ送信素子モジュールと、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路上にハイブリッド集積化配置され、前記第２の２次元フォトニック結晶導波路を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出素子モジュールとを備えるテラヘルツセンシングシステムが提供される。
【００１１】
本実施の形態の他の態様によれば、２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第１の２次元フォトニック結晶導波路と、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に前記格子点の線欠陥により形成される第２の２次元フォトニック結晶導波路と、前記第１の２次元フォトニック結晶導波路と前記第２の２次元フォトニック結晶導波路とをモード結合可能な２次元フォトニック結晶共振器と、前記２次元フォトニック結晶共振器上に搭載された抗体とを備えるテラヘルツ分光器カートリッジが提供される。
【００１２】
本実施の形態の他の態様によれば、カートリッジ載置部と、前記カートリッジ載置部上に配置され、第１の２次元フォトニック結晶導波路にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ可変光源と、前記カートリッジ載置部上に配置され、第２の２次元フォトニック結晶導波路を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器とを備えるセンサヘッドモジュールが提供される。
【００１３】
本実施の形態の他の態様によれば、上記のテラヘルツ分光器カートリッジと、上記のセンサヘッドモジュールとを備え、前記センサヘッドモジュール上に前記導波路カートリッジを載置し、抗原を含む検体と前記抗体との抗原抗体反応を検出可能なテラヘルツセンシングシステム提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本実施の形態によれば、小型高分解能のテラヘルツ分光器およびテラヘルツセンシングシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態に係るテラヘルツ分光器およびテラヘルツセンシングシステムの基本ブロック構成図。
【図２】（ａ）実施の形態に係るテラヘルツ分光器の模式的構成図、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用される２次元フォトニック結晶（２ＤＰＣ：Two Dimensional Photonic Crystal）スラブの平面パターン構成図。
【図３】図２（ｂ）において、ＦＡ部分の拡大された模式的平面パターン構成図。
【図４】図２（ｂ）において、ＦＢ部分の拡大された模式的平面パターン構成図。
【図５】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用可能な２ＤＰＣスラブにおいて、格子点の周期構造であって、三角格子の模式的平面パターン構成図。
【図６】実施の形態に係るテラヘルツ分光器におぃて、２ＤＰＣ共振器のカップリング機構の説明図であって、（ａ）入力ポートＰ１から第１の２ＤＰＣ導波路にテラヘルツ波を入力させる動作モードの説明図、（ｂ）共振器の共振周波数に一致するテラヘルツ波がエネルギーカップリングする様子を説明する模式図、（ｃ）カップリングした電磁波が共振モードを励起する様子を説明する模式図、（ｄ）励起された共振モードが、再び第１の２ＤＰＣ導波路および第２の２ＤＰＣ導波路にカップリングバックする様子を説明する模式図、（ｅ）第１の２ＤＰＣ導波路および第２の２ＤＰＣ導波路からカップリングしたテラヘルツ波が出力される様子を説明する模式図。
【図７】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用される２ＤーＰＣスラブの表面写真例。
【図８】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用可能なテラヘルツ素子モジュールのレーザ用ステムへの実装写真例。
【図９】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用可能なテラヘルツ素子モジュールをレーザ用ステムへ実装した例の模式的上面図。
【図１０】図９のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図（リードピン２００Ａ・２００Ｋを用いる例）。
【図１１】（ａ）実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用されるテラヘルツ素子モジュールの模式的平面パターン構成図、（ｂ）図１１（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１２】（ａ）実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用されるテラヘルツ素子モジュールに適用可能な共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）の模式的断面構造図、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用されるテラヘルツ素子モジュールに適用可能なＲＴＤの別の模式的断面構造図。
【図１３】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用されるテラヘルツ素子モジュールの詳細な平面パターン構成図。
【図１４】（ａ）ダイポールアンテナ計算モデルに用いたテラヘルツ素子モジュールの模式的鳥瞰図、（ｂ）フィード線およびパッド電極を含むダイポールアンテナ計算モデルに用いたテラヘルツ素子モジュールの模式的鳥瞰図。
【図１５】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用されるテラヘルツ素子モジュールの放射パターンであって、（ａ）発振周波数３００ＧＨｚにおけるシミュレーション結果、（ｂ）発振周波数３２０ＧＨｚにおけるシミュレーション結果。
【図１６】（ａ）実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用されるテラヘルツ素子モジュールに搭載可能なテラヘルツ素子の電流Ｉ−電圧Ｖ特性例（ＮＲＲ：負性抵抗領域）、（ｂ）テラヘルツ素子に搭載されるＲＴＤの逆バイアス電圧Ｖと逆方向電流Ｉの表示説明図。
【図１７】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用されるテラヘルツ素子モジュールに搭載可能なテラヘルツ素子のＣＶ特性例。
【図１８】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用されるテラヘルツ素子モジュールに搭載可能なテラヘルツ素子の発振特性の実測結果（周波数可変性の実証結果）。
【図１９】比較例に係るテラヘルツスペクトル測定システムの模式的ブロック構成図。
【図２０】図１９に示された比較例に係るテラヘルツスペクトル測定システムを用いて、周波数３１０−３２５ＧＨｚの範囲での比較例に係るテラヘルツ分光器３０Ｍの出力ポートＰ３における出力周波数（共振スペクトラム）の測定結果。
【図２１】テラヘルツ信号源として、テラヘルツ素子モジュールを適用した実施の形態に係るテラヘルツスペクトル測定システムの模式的ブロック構成図。
【図２２】検出系を備える実施の形態に係るテラヘルツ分光器の模式的構成図。
【図２３】検出系を備える実施の形態に係るテラヘルツ分光器の詳細なブロック構成図。
【図２４】テラヘルツ信号源として、ステム実装ＲＴＤを適用した実施の形態に係るテラヘルツスペクトル測定システムの実験系の詳細写真例。
【図２５】実施の形態に係るテラヘルツ分光器の出力ポートＰ３における出力周波数ｆ（ＧＨｚ）のＲＴＤバイアス電圧依存性。
【図２６】実施の形態に係るテラヘルツ分光器の出力ポートＰ３における出力電力（ｄＢ）のＲＴＤバイアス電圧依存性。
【図２７】実施の形態に係るテラヘルツ分光器の出力ポートＰ３における出力電力（ｄＢ）の周波数依存性の測定結果（ＧＨｚ表示）。
【図２８】実施の形態に係るテラヘルツ分光器の出力ポートＰ３における校正後出力電力（ｄＢ）の周波数依存性の測定結果（ＲＴＤ：ＲＴＤによる測定結果、ＭＵＰ：逓倍器による測定結果の比較：ＧＨｚ表示）。
【図２９】図２８の測定結果を電力換算して規格化した規格化強度の周波数依存性（ＲＴＤ：ＲＴＤによる測定結果、ＭＵＰ：逓倍器による測定結果の比較：ＧＨｚ表示）。
【図３０】実施の形態に係るテラヘルツ分光器の出力ポートＰ３における規格化強度の周波数依存性における分解能の説明図（ＲＴＤ：ＲＴＤによる測定結果、ＭＵＰ：逓倍器による測定結果の比較：ＧＨｚ表示）。
【図３１】（ａ）実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、２ＤＰＣ共振器上に誘電体テープを搭載した様子を示す写真例、（ｂ）誘電体テープを搭載した２ＤＰＣスラブ部分の模式的断面構造図。
【図３２】実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、２ＤＰＣ共振器上に搭載された誘電体テープの厚さをパラメータとする出力ポートＰ３における規格化強度の周波数依存性の測定結果。
【図３３】実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、テラヘルツ可変光源をハイブリッド集積化した２ＤＰＣスラブの平面パターン構成図。
【図３４】実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、テラヘルツ可変光源をハイブリッド集積化した２ＤＰＣスラブ上にＳＭＡコネクタに接続されたコプレーナ基板を実装したモジュールの模式的構成図。
【図３５】第１の２ＤＰＣ導波路上にテラヘルツ可変光源をハイブリッド集積化した実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、２ＤＰＣ共振器上に搭載された誘電体テープの厚さをパラメータとする出力ポートＰ３における規格化強度の周波数依存性の測定結果。
【図３６】第１の２ＤＰＣ導波路上にテラヘルツ可変光源をハイブリッド集積化した実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、出力ポートＰ３における規格化強度のピーク周波数の変化量と２ＤＰＣ共振器上に搭載された誘電体テープの厚さとの関係（共振周波数の誘電体テープ厚さ依存性）。
【図３７】実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、テラヘルツ可変光源およびテラヘルツ検出器をハイブリッド集積化した２ＤＰＣスラブの平面パターン構成図。
【図３８】実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、テラヘルツ可変光源およびテラヘルツ検出器をハイブリッド集積化した２ＤＰＣスラブ上にＳＭＡコネクタに接続された送信器コプレーナ基板および受信器コプレーナ基板を実装したモジュールの模式的構成図（テラヘルツ可変光源およびテラヘルツ検出器一体型ハイブリッドモジュールの構成例）。
【図３９】実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、センサヘッドモジュール上にテラヘルツ分光器カートリッジを搭載する様子を説明する生体センシングシステムの模式的鳥瞰構成図。
【図４０】実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、センサヘッドモジュール上にテラヘルツ分光器カートリッジを搭載した生体センシングシステムの模式的鳥瞰構成図。
【図４１】実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムにおいて、ＰＣ分光器上に有機生体膜を搭載した生体センシングシステムの２ＤＰＣスラブ部分の模式的断面構造図。
【図４２】実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、環境センシングシステムの構成例。
【図４３】実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、共振周波数を変えた２ＤＰＣ共振器を複数段連結させるセンシングシステムの構成例。
【図４４】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用可能な２ＤＰＣスラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、正方格子の配置例、（ｂ）図４４（ａ）に対応する２ＤＰＣスラブのバンド構造図。
【図４５】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用可能な２ＤＰＣスラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、三角格子の配置例、（ｂ）図４５（ａ）に対応する２ＤＰＣスラブのバンド構造図。
【図４６】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用可能な２ＤＰＣスラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、長方格子の配置例、（ｂ）図４６（ａ）に対応する２ＤＰＣスラブのバンド構造図。
【図４７】実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用可能な２ＤＰＣスラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、菱型格子の配置例、（ｂ）図４７（ａ）に対応する２ＤＰＣスラブのバンド構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、図面を参照して、本実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１７】
又、以下に示す実施の形態は、この実施の形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１８】
[実施の形態]
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０の基本構成は、図１に示すように表される。実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０は、図１に示すように、テラヘルツ波を送信するテラヘルツ送信部５と、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出部７と、２ＤＰＣ共振器２０とを備える。２ＤＰＣ共振器２０は、入力ポートＰ１において受信したテラヘルツ波をモード変換可能である。モード変換されたテラヘルツ波は、出力ポートＰ３よりテラヘルツ検出部７に出力され、テラヘルツ検出部７において検出される。図１に示される基本構成に係るテラヘルツ分光器３０は、テラヘルツセンシングシステムに適用可能である。後述するように、テラヘルツ送信部５は、テラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔを備え、テラヘルツ検出部７は、テラヘルツ検出素子モジュール１００Ｒを備えていても良い。
【００１９】
ここで、モード変換とは、導波モード若しくは伝搬モードが、高分解能・高感度センシングを実現可能とする共振モードに結合して、モード変換されるという意味である。
【００２０】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０の模式的構成は、図２（ａ）に示すように表され、テラヘルツ分光器３０に適用される２ＤＰＣスラブ１２の平面パターン構成は、図２（ｂ）に示すように表される。また、図２（ｂ）において、ＦＡ部分の拡大された模式的平面パターン構成は、図３に示すように表され、ＦＢ部分の拡大された模式的平面パターン構成は、図４に示すように表される。
【００２１】
また、２ＤＰＣスラブ１２において、格子点１２Ａの周期構造例であって、三角格子の模式的平面パターン構成は、図５に示すように表される。図５において、格子定数ａは、例えば、約２４０μｍ、格子点の開孔の半径ｒ＝０．３０ａは、例えば、約７２μｍである。
【００２２】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０の模式的構成は、図１〜図３に示すように、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と、第２の２ＤＰＣ導波路１４2と、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と第２の２ＤＰＣ導波路１４2とをモード結合する２ＤＰＣ共振器２０と、第１の２ＤＰＣ導波路１４1にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔと、第２の２ＤＰＣ導波路１４2を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出素子モジュール１００Ｒとを備える。
【００２３】
更に詳細には、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０は、図１および図２に示すように、２ＤＰＣスラブ１２と、２ＤＰＣスラブ１２内に周期的に配置され、２ＤＰＣスラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２ＤＰＣスラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第１の２ＤＰＣ導波路１４1（１４（Ｉ）・１４（０２））と、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０３）・１４（０４））と、第１の２ＤＰＣ導波路１４1（１４（Ｉ）・１４（０２））と第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０３）・１４（０４））とをモード結合可能な２ＤＰＣ共振器２０と、第１の２ＤＰＣ導波路１４（Ｉ）にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔと、第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０３））を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出素子モジュール１００Ｒとを備える。
【００２４】
図２において、２ＤＰＣスラブ１２は、平面視において、台形形状を有しているが、台形形状に限定されるものではなく、図２に模式的に示すように、矩形形状を備えていても良く、その他の構造を備えていても良い。
【００２５】
また、図２において、第１の２ＤＰＣ導波路１４1は、互いに１２０度の角度を有する２つの２ＤＰＣ導波路１４（Ｉ）・１４（０２）に分かれて形成されているが、２ＤＰＣ導波路１４（Ｉ）・１４（０２）が屈曲することなく、ストレートに延伸する形状を備えていても良い。図２において、第１の２ＤＰＣ導波路１４1が、互いに１２０度の角度を有する２つの２ＤＰＣ導波路１４（Ｉ）・１４（０２）に分かれている理由は、出力ポートＰ２への導波管などの接続を容易にするための便宜上の配置のためである。また、第１の２ＤＰＣ導波路１４1が、互いに１２０度の角度を有するのは、格子点１２Ａが三角格子に配置されているためである。
【００２６】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、２ＤＰＣ共振器２０は、図３および図４に示すように、格子点１２Ａの任意の個数分の共振器形成用線欠陥により形成されていても良い。ここで、図３および図４に示す例では、２ＤＰＣ共振器２０は、格子点１２Ａの３個分の共振器形成用線欠陥により形成されている。
【００２７】
図３および図４はあくまでも例示であって、２ＤＰＣ共振器２０の構成は、格子点１２Ａを３個埋めかつ格子点１２Ａをシフトする構成に限定されるものではない。２ＤＰＣ共振器２０の構成としては、格子点１２Ａを４個以上埋めた構成、若しくは格子点１２Ａを複数ではなく１個埋めた構成、格子点１２Ａをシフトした構成、スロットを開けた構成、若しくはヘテロ界面を利用した構成などを適用しても良い。２ＤＰＣ共振器２０の構成は、テラヘルツ分光器３０の周波数帯域や、テラヘルツセンシングシステムへの応用面に対応して、上記のような様々な構成を採用可能である。
【００２８】
また、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０３）・１４（０４））は、図３および図４に示すように、第１の２ＤＰＣ導波路１４1（１４（Ｉ）・１４（０２））と平行に配置されていても良い。
【００２９】
また、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、２ＤＰＣ共振器２０は、第１の２ＤＰＣ導波路１４1（１４（Ｉ）・１４（０２））と第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０３）・１４（０４））との中間に互いに平行に配置されていても良い。
【００３０】
また、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用載可能な２ＤＰＣスラブ１２において、格子点１２Ａの周期構造例であって、三角格子の模式的平面パターン構成は、図５に示すように表される。
【００３１】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、格子点１２Ａは、図３および図５に示すように、三角格子に配置され、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と２ＤＰＣ共振器２０は、三角格子の高さＡ＝√３ａ／２の整数倍離隔して配置されていても良い。ここで、図３および図５に示す例では、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と２ＤＰＣ共振器２０は、三角格子の高さＡの６倍（Ｗ＝６Ａ）だけ離隔して配置されている。同様に、図３および図５に示す例では、第２の２ＤＰＣ導波路１４2と２ＤＰＣ共振器２０は、三角格子の高さＡの６倍（Ｗ＝６Ａ）だけ離隔して配置されている。尚、第２の２ＤＰＣ導波路１４2と２ＤＰＣ共振器２０は、三角格子の高さＡの６倍に限定されず、例えば、５倍若しくは７倍であっても良い。格子定数ａ＝２４０μｍとすると、Ｗ＝５Ａ、６Ａ、７Ａの各値は、それぞれ１．０３９ｍｍ、１．２４７ｍｍ、１．４５５ｍｍとなる。
【００３２】
また、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、図３および図５に示す例では、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と第２の２ＤＰＣ導波路１４2は、三角格子の高さＡの１２倍離隔して配置されている。
【００３３】
また、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、格子点１２Ａは三角格子に配置され、共振器形成用線欠陥の両端部の格子点１２Ｓは、周期的な格子点１２Ａに対して、格子定数ａの０．１５倍互いに離隔する方向にシフトしている。
【００３４】
また、第１の２ＤＰＣ導波路１４1（１４（Ｉ）・１４（０２））は、図１および図２に示すように、入力ポートＰ１およびポートＰ２を備えていても良い。
【００３５】
また、第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０３）・１４（０４））は、図１および図２に示すように、出力ポートＰ３およびポートＰ４を備えていても良い。
【００３６】
入力ポートＰ１は、図２に示すように、第１の２ＤＰＣ導波路１４1（１４（Ｉ））が延伸したフォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、第１の２ＤＰＣ導波路１４1（１４（Ｉ））が延伸した第１断熱的モード変換機構部１０1を備えていても良い。
【００３７】
同様に、ポートＰ２は、第１の２ＤＰＣ導波路１４1（１４（０２））が延伸したフォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、第１の２ＤＰＣ導波路１４1（１４（０２））が延伸した第２断熱的モード変換機構部１０2を備えていても良い。
【００３８】
出力ポートＰ３は、第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０３））が延伸したフォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０３））が延伸した第３断熱的モード変換機構部１０3を備えていても良い。
【００３９】
同様に、ポートＰ４は、第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０４））が延伸したフォトニック結晶スラブ１２の端面に配置され、第２の２ＤＰＣ導波路１４2（１４（０４））が延伸した第４断熱的モード変換機構部１０4を備えていても良い。
【００４０】
断熱的モード変換機構部１０1、１０2、１０3、１０4は、２ＤＰＣスラブ１２の平面視において、２ＤＰＣスラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えていても良い。
【００４１】
また、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、格子点１２Ａは、三角格子のみならず、正方格子、長方格子、若しくは面心長方格子のいずれかに配置されていても良い。
【００４２】
また、格子点１２Ａは、２ＤＰＣスラブ１２の平面視において、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えていても良い。
【００４３】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０は、図２に示すように、入力ポートＰ１・ポートＰ２・出力ポートＰ３・ポートＰ４において、ＷＲ−３導波管などとの結合性を向上させるために、２ＤＰＣスラブ１２の端面に配置され、２ＤＰＣ導波路が延伸した断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4を備えていても良い。また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4は、ＷＲ−３導波管などとの結合に限定されず、例えば、コプレーナ基板上の伝送線路との結合に用いることも可能である。
【００４４】
断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4は、２ＤＰＣスラブ１２の平面視において、２ＤＰＣスラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えている。ここで、テーパー形状の側面は、傾斜面を有していても良い。また、テーパー形状の側面は、曲面を有していても良い。また、テーパー形状の側面は、段差面を有していても良い。
【００４５】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4は、２ＤＰＣスラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる円錐型形状を備えていても良い。
【００４６】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4は、２ＤＰＣスラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる四角錘形状を備えていても良い。
【００４７】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4は、２ＤＰＣスラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる楔型形状を備えていても良い。
【００４８】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4は、２ＤＰＣスラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる撥型形状を備えていても良い。
【００４９】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4は、２ＤＰＣスラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる階段型形状を備えていても良い。
【００５０】
また、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4は、樹脂層により保護されていても良い。
【００５１】
断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4は、導波管導波路内に挿入可能である。ここで、２ＤＰＣスラブ１２の端面に配置される導波管フランジは、端面に接していても良い。また、２ＤＰＣスラブ１２の端面に配置される導波管フランジは、端面から離隔していても良い。
【００５２】
さらに、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4が配置される２ＤＰＣスラブ１２の端面は、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4の周辺部において、２ＤＰＣスラブ１２の端面に配置される導波管フランジとの間にギャップを備え、導波管フランジから離隔していても良い。ギャップが有る場合は、導波管フランジは、２ＤＰＣスラブ１２の端面から離隔して配置されているため、テラヘルツ入力波の表面モードを抑制することができる。特に、表面モードを抑制するためには、ギャップ距離をＷＧとすると、ギャップ距離ＷＧ＞波長／３とすることが望ましい。
【００５３】
詳細構造は省略されているが、図２に示す例では、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4が配置される２ＤＰＣスラブ１２の端面は、断熱的モード変換機構部１０1・１０2・１０3・１０4の周辺部において、２ＤＰＣスラブ１２の端面に配置される導波管フランジとの間にギャップを備えている。
【００５４】
尚、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０においては、ポートＰ２およびポートＰ４は利用していないため、図２に示すように無反射のオープン状態にするのではなく、途中で終端して、フォトニックバンドギャップの反射効果で位相が合うように反射させる構成を採用しても良い。
【００５５】
（カップリング機構）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０におぃて、２ＤＰＣ共振器２０のカップリング機構の説明図であって、入力ポートＰ１から第１の２ＤＰＣ導波路１４1にテラヘルツ波Ｗ1を入力させる動作モードは、図６（ａ）に示すように表され、２ＤＰＣ共振器２０の共振周波数に一致するテラヘルツ波Ｗ1Cがエネルギーカップリングする動作モードは、図６（ｂ）に示すように表され、カップリングした電磁波が共振モード（テラヘルツ波ＷR）を励起する動作モードは、図６（ｃ）に示すように表され、励起された共振モードが、再び第１の２ＤＰＣ導波路および第２の２ＤＰＣ導波路にカップリングバックする動作モードは、図６（ｄ）に示すように表され、第１の２ＤＰＣ導波路１４1および第２の２ＤＰＣ導波路１４2からカップリングしたテラヘルツ波が出力される動作モードは、図６（ｅ）に示すように表される。
【００５６】
（ａ）まず、図６（ａ）に示すように、入力ポートＰ１から第１の２ＤＰＣ導波路１４1にテラヘルツ波Ｗ1を入射させる。第１の２ＤＰＣ導波路１４1の帯域内の波は、伝搬して行く。
【００５７】
（ｂ）次に、図６（ａ）に示すように、２ＤＰＣ共振器２０の共振周波数に一致するテラヘルツ波Ｗ1Cがエネルギーカップリングする。すなわち、２ＤＰＣ共振器２０の共振周波数に一致する電磁波は、エネルギーがカップリングする。
【００５８】
（ｃ）次に、図６（ｃ）に示すように、カップリングした電磁波が共振モード（テラヘルツ波ＷR）を励起する。２ＤＰＣ共振器２０の設計によって、高いＱ値を実現することが可能である。
【００５９】
（ｄ）次に、図６（ｄ）に示すように、励起された共振モードが、再び第１の２ＤＰＣ導波路１４1および第２の２ＤＰＣ導波路１４2にカップリングバックする。この時、カップリングしたテラヘルツ波（ＷB1、ＷB2、ＷB3、ＷB4）のパワーは四等分される。
【００６０】
（ｅ）次に、図６（ｅ）に示すように、第１の２ＤＰＣ導波路１４1および第２の２ＤＰＣ導波路１４2からカップリングしたテラヘルツ波（Ｗ01、Ｗ02、Ｗ03、Ｗ04）が出力される。 下部の出力ポートＰ３から周波数出力をモニターすれば、カップリングした電磁波のＱ値及び周波数を測定することができる。
【００６１】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用される２ＤーＰＣスラブ１２の表面写真例は、図７に示すように表される。
【００６２】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用される２ＤーＰＣスラブ１２は、図７に示すように、第１の２ＤＰＣ導波路１４1の入力ポートＰ１と、第２の２ＤＰＣ導波路１４2の出力ポートＰ３と、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と第２の２ＤＰＣ導波路１４2とを結合する微小な２ＤＰＣ共振器２０と、第１の２ＤＰＣ導波路１４1の入力部および第２の２ＤＰＣ導波路１４2の出力部に断熱的モード変換機構部を備える。
【００６３】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用される２ＤーＰＣスラブ１２は、半導体材料で形成されていても良い。
【００６４】
また、この半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系の内、いずれかを適用可能である。
【００６５】
（テラヘルツ素子モジュール）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用可能なテラヘルツ素子モジュール１００のレーザ用のパッケージステム１１０への実装例は、図８に示すように表される。レーザ用のパッケージステム１１０へ実装した例の模式的上面図は、図９に示すように表される。このように、テラヘルツ素子モジュール１００は、ＣＡＮパッケージに封止されていても良い。ここで、テラヘルツ素子モジュール１００は、テラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔあるいはテラヘルツ検出素子モジュール１００Ｒであっても良い。
【００６６】
また、図９のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造（リードピン２００Ａ・２００Ｋを用いる例）は、図１０に示すように表される。
【００６７】
テラヘルツ素子モジュール１００は、図９及び図１０に示すように、パッケージステム１１０と、サブマウント１６０と、テラヘルツ素子４０と、キャップ１２０と、封止材１４０とを備える。
【００６８】
パッケージステム１１０は、表面と裏面とを備えており、例えば、Ｆｅ、ＦｅＮｉ、ガラス、またはこれらの組み合せ等から構成されている。パッケージステム１１０の形状は、表面と垂直の方向（以下「上面」）から見て、円形状であり、例えば、直径は、約５．６ｍｍである。ただし、パッケージステム１１０の上面から見た形状は、円形状に限られず、矩形であっても良いし、これらに限定されない。なお、パッケージステム１１０は、例えば表面から裏面に貫通して設けられたリードピン２００Ａ・２００Ｋを備えていても良い。
【００６９】
サブマウント１６０は、パッケージステム１１０の表面上に形成されており、例えば接着剤を介してパッケージステム１１０の表面に接着されて形成される。サブマウント１６０は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ等の絶縁材料から構成される。サブマウント１６０の上面から見た形状は、円形状であり、例えば、直径は、約１ｍｍである。ただし、サブマウント１６０の上面から見た形状は、円形状に限られず、直方体であってもよいし、これに限られない。なお、サブマウント１６０は形成されていなくても良い。言い換えれば、パッケージステム１１０は、サブマウント１６０を有していなくても良い。また、サブマウント１１０の高さは、例えば、約２００μｍ〜１５００μｍ程度であっても良い。
【００７０】
テラヘルツ素子４０は、表面と裏面とを備えており、サブマウント１６０の表面上において裏面がサブマウント１６０の表面と対向して形成されている。テラヘルツ素子４０は、例えば接着剤を介してパッケージステム１１０の表面に接着されて形成されている。テラヘルツ素子４０は、自己の表面から電磁波を発振することで自己の表面上に向かうテラヘルツ波を放射する面放射型、又は自己の表面にテラヘルツ波を受信する面受信型である。
【００７１】
テラヘルツ素子４０は、リードピン２００Ａとリードピン２００Ｋとを備えている場合には、テラヘルツ素子４０のアノード電極Ａがボンディングワイヤ１８０Ａを介してリードピン２００Ａと接続され、テラヘルツ素子４０のカソード電極Ｋがワイヤボンディング１８０Ｋを介してリードピン２００Ｋと接続されていても良い。また、リードピン２００Ａとリードピン２００Ｋとを備えていない場合には、テラヘルツ素子３０は、裏面に図示しない外部端子を備えた構成となっていてもよく、この場合には、該外部端子を介してパッケージステム１１０の表面に形成された図示しない配線や端子等と電気的に接続されていても良い。
【００７２】
ここで、例えば、ボンディングワイヤ１８０Ａ・１８０Ｋは、テラヘルツ素子４０のアノード電極Ａ・カソード電極Ｋに接続され、リードピン２００Ａ・２００Ｋは、それぞれアノード端子・カソード端子として適用可能である。
【００７３】
なお、テラヘルツ素子４０は、テラヘルツ素子モジュール１００がサブマウント１６０を有していない場合には、パッケージステム１１０の表面上に直接的に形成されていても良いが、テラヘルツ素子モジュール１００はサブマウント１６０を有していることが好ましい。テラヘルツ素子モジュール１００がサブマウント１６０を有していることで、パッケージステム１１０からテラヘルツ素子４０に伝わる外部からの電磁的干渉を抑制することができる。
【００７４】
キャップ１２０は、パッケージステム１１０の表面上に、サブマウント１６０とテラヘルツ素子４０とを覆いかつ少なくともテラヘルツ素子４０から離間して形成されており、例えばＦｅＮｉ合金をベースに表面がＡｕめっき加工されている。キャップ１２０は、筒形状であり一端がパッケージステム１１０の表面と接続された側壁部１２０Ｓと、側壁部１２０Ｓの他端と接続されて、パッケージステム１１０の表面と平行であり、テラヘルツ素子４０の表面と対向する位置であって上面から見て少なくともテラヘルツ素子４０に対応する位置が開口された天井部１２０ＴＯＰとを備えている。ここで、該開口を開口部ＯＰと称する。開口部ＯＰは、円形状であり、その直径は、例えば、約１２００μｍ、約１６００μｍ、約２０００μｍ、約２４００μｍなどに選定可能であり、これらに限られない。キャップ１２０は、例えばＦｅＮｉ合金をベースに表面がＡｕめっき加工されているが、これに限られない。また、キャップ１２０は、上記に限られず種々金属を適用可能である。
【００７５】
また、テラヘルツ素子４０を搭載するサブマウント１６０の高さは、開口部ＯＰから放射若しくは検出されるテラヘルツ波の波長の０．２倍〜１．５倍程度であることが望ましい。
【００７６】
封止材１４０は、キャップ１２０の天井部１２０ＴＯＰの裏面側から開口部ＯＰを覆って形成されている。封止材１４０は、例えば天井部１２０ＴＯＰの一部に接着剤を介して接着されている。封止材１４０は、例えばガラス基板であるが、これに限られずシリコン基板でも良く、その他透過性を有する基板であれば種々適用可能である。
【００７７】
ここで、テラヘルツ素子モジュール１００におけるテラヘルツ素子４０の表面から封止材１４０までの距離は、テラヘルツ素子４０から放射されるテラヘルツ波によって生じる電界が、テラヘルツ素子４０の表面から封止材１４０まで途切れずに達するニアフィールド以下、すなわち、テラヘルツ素子４０から放射されるテラヘルツ波の１波長よりも短い距離に設定されている。これにより、テラヘルツ素子４０から放射されるテラヘルツ波が、封止材１４０から反射することで発生するキャップ１２０内における乱反射を抑制することができる。
【００７８】
また、パッケージステム１１０上に配置されるサブマウント１６０から封止材１４０までの距離は、開口部ＯＰから放射若しくは検出されるテラヘルツ波の波長の１／２以下であることが望ましい。
【００７９】
開口径１ｍｍ程度のパッケージは、半導体レーザで一般的に良く使われている。一方、テラヘルツ波は、半導体レーザに比べて波長が数１００倍〜１０００倍程度長い。つまり、本実施の形態においては、半導体レーザで一般的に良く使われている開口径１ｍｍ程度と同程度のパッケージを使用することが可能である。
【００８０】
すなわち、実施の形態によれば、半導体レーザに比べて波長が数１００倍〜１０００倍程度長いテラヘルツ素子を搭載可能な、例えば、開口部の直径１ｍｍ程度のテラヘルツ素子モジュール１００を提供可能である。
【００８１】
以上、テラヘルツ素子４０の表面から封止材１４０までの距離は、テラヘルツ素子４０から放射されるテラヘルツ波の強度が最大時の電界がテラヘルツ素子４０の表面から封止材１４０まで途切れずに達するニアフィールド以下の距離に設定されている。このため、キャップ１２０の開口部ＯＰから効率良くテラヘルツ波の放射および検出可能となる。
【００８２】
（テラヘルツ素子）
テラヘルツ素子モジュール１００に搭載可能なテラヘルツ素子４０の模式的平面パターン構成は、図１１（ａ）に示すように表され、図１１（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１１（ｂ）に示すように表される。
【００８３】
また、テラヘルツ素子モジュール１００に適用可能なＲＴＤ９０の模式的断面構造は、図１２（ａ）に示すように表され、別の模式的断面構造は、図１２（ｂ）に示すように表される。能動素子９０の詳細については後述する。
【００８４】
テラヘルツ素子４０は、図１１（ａ）・図１１（ｂ）に示すように、半導体基板１と、半導体基板１上に配置された第１の半導体層９１ａと、第１の半導体層９１ａ上に積層化形成された能動素子９０と、第１の半導体層９１ａに接続されて能動素子９０の主電極の一方に接続され、かつ半導体基板１上に配置された第２の電極２と、能動素子９０の主電極の他方に接続され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４とを備える。ここで、能動素子９０は、第２の電極２と第１の電極４間において共振器を形成し、放射された電磁波は、半導体基板１に対して垂直方向の面放射型の放射パターンを有する。
【００８５】
また、テラヘルツ素子４０において、第１の電極４および第２の電極２は、図１１（ａ）に示すように、ダイポールアンテナを備えていても良い。
【００８６】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用されるテラヘルツ素子モジュール１００に搭載可能なテラヘルツ素子４０の詳細な平面パターン構成は、図１３に示すように表される。
【００８７】
テラヘルツ素子４０は、図１３に示すように、ダイポールアンテナに接続された第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆと、第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆに接続された第１パッド電極４０Ｐおよび第２パッド電極２０Ｐとを備えていても良い。
【００８８】
また、図１３に示すように、第１パッド電極４０Ｐと第２パッド電極２０Ｐとの間に接続されたＭＩＭリフレクタ５０を備えていても良い。パッド電極２０Ｐ・４０Ｐの一部分を絶縁層を介して積層化することで、ＭＩＭリフレクタ５０が形成可能である。
【００８９】
また、図１１（ａ）・図１３に示すように、第１の電極４と第２の電極２間に接続された抵抗素子１１４を備えていても良い。ここで、抵抗素子１１４は、金属配線を備えていても良い。例えば、金属配線は、ビスマス（Ｂｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、若しくは白金（Ｐｔ）のいずれかを備えていても良い。
【００９０】
また、テラヘルツ素子４０において、能動素子９０は、マルチチップ化して配置されていても良い。
【００９１】
また、テラヘルツ素子４０において、能動素子９０は、セルアレイ化して配置されていても良い。
【００９２】
能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、タンネット（ＴＵＮＮＥＴＴ：Tunnel Transit Time）ダイオード、インパット（ＩＭＰＡＴＴ：Impact Ionization Avalanche Transit Time）ダイオード、ＧａＡｓ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、ＧａＮ系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ:Heterojunction Bipolar Transistor）若しくはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）ＦＥＴなどを適用することもできる。
【００９３】
テラヘルツ素子４０に適用可能な能動素子９０として、ＲＴＤの負性抵抗を用いたテラヘルツ発振素子若しくはテラヘルツ検出素子を構成可能である。
【００９４】
さらに詳細には、第１の電極４・第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ若しくはＡｕ／Ｔｉを備えていても良い。
【００９５】
テラヘルツ素子４０は、ＲＴＤ９０に集積化されたアンテナ（２・４）を備えていても良い。ここで、アンテナ（２・４）は、ダイポールアンテナ、パッチアンテナ、ボータイアンテナ若しくはスロットアンテナのいずれかを備えていても良い。
【００９６】
（シミュレーション結果）
ダイポールアンテナ計算モデルに用いたテラヘルツ素子モジュール１００に搭載可能なテラヘルツ素子４０の模式的鳥瞰図は、図１４（ａ）に示すように表され、フィード線４０Ｆ・２０Ｆおよびパッド電極４０Ｐ・２０Ｐを含むダイポールアンテナ計算モデルに用いたテラヘルツ素子４０の模式的鳥瞰図は、図１４（ｂ）に示すように表される。いずれもサブマウント１６０上に配置される金属層を備えるものとして計算している。
【００９７】
ここで、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐは、伝送線路を構成している。パッド電極４０Ｐ・２０Ｐの幅（伝送線路の幅）は、例えば、約７５μｍであり、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐ間の間隔（伝送線路の間隔）は、例えば、約５μｍであり、パッド電極４０Ｐ・２Ｐの長さ（伝送線路の長さ）は、例えば、約３００μｍである。
【００９８】
また、フィード線４０Ｆ・２０Ｆは、ダイポールアンテナ（２・４）と、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐとの間の接続部を構成しており、その長さは、例えば、約２０μｍ〜１００μｍ程度であり、その幅は、例えば、約１μｍ〜１０μｍ程度である。
【００９９】
また、ダイポールアンテナ（２・４）のアンテナ長ＤＡ（図１３参照）は、例えば、約３２０μｍである。
【０１００】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用されるテラヘルツ素子モジュール１００に搭載可能なテラヘルツ素子４０の放射パターンであって、発振周波数３００ＧＨｚにおけるシミュレーション結果は、図１５（ａ）に示すように表され、発振周波数３２０ＧＨｚにおけるシミュレーション結果は、図１５（ｂ）に示すように表される。図１５（ａ）・図１５（ｂ）のシミュレーション結果は、図１４（ｂ）に示すフィード線４０Ｆ・２０Ｆおよびパッド電極４０Ｐ・２０Ｐを含むダイポールアンテナ計算モデルに基づき計算した結果である。
【０１０１】
テラヘルツ素子４０においては、シミュレーション結果より、例えば約３３０ＧＨｚ以下において、良好な面放射型の放射パターンが得られている。
アンテナ長ＤＡを変化することによって、発振周波数を制御することができる。また、接続部を構成するフィード線４０Ｆ・２０Ｆの長さ・幅・配置位置を調整することによってアンテナ効率を制御することも可能である。
【０１０２】
―ＲＴＤ―
テラヘルツ素子４０に適用可能な能動素子９０として、ＲＴＤの構成例は、図１２（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ａと、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ａと、ＧａＩｎＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ａと、ＧａＩｎＡｓ層９３ａ上に配置されたＡｌＡｓ層９４ａ／ＩｎＧａＡｓ層９５／ＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部と、ＡｌＡｓ層９４ｂ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９３ｂ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９２ｂ上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置された第１の電極４と、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２とを備える。
【０１０３】
テラヘルツ素子４０に適用可能な能動素子９０として、ＲＴＤの別の構成例は、図１２（ｂ）に示すように、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｃを備え、第１の電極４は、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃ上に配置される。このように、第１の電極４とＧａＩｎＡｓ層９１ｂとのコンタクトをさらに良好にするために、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃを形成しても良い。
【０１０４】
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
【０１０５】
ｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａ、９１ｂ・９１ｃの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ・８ｎｍ程度である。ｎ型のＧａＩｎＡｓ層９２ａおよび９２ｂの厚さは、略等しく、例えば、約２５ｎｍ程度である。アンドープＧａＩｎＡｓ層９３ａ・９３ｂの厚さは、例えば、上述の非対称性を実現可能とする厚さであって、約２ｎｍ・２０ｎｍ程度である。ＡｌＡｓ層９４ａおよび９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．１ｎｍ程度である。ＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
【０１０６】
なお、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す積層構造の側壁部には、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１０７】
ＭＩＭリフレクタ５０は金属／絶縁体／金属からなる積層構造により、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐは高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
【０１０８】
第１の電極４・第２の電極２は、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／ＴｉやＡｕ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４・第２の電極２の各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４・第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１０９】
ＭＩＭリフレクタの絶縁層は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。絶縁層は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１１０】
テラヘルツ素子３０は、第１トンネルバリア層／量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓの構成を有する例が示されているが、このような材料系に限定されるものではない。例えば、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの構成を有する例であっても良い。また、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの構成を有する例であっても良い。また、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＳｉＧｅ／Ｓｉ／ＳｉＧｅの構成を有する例であっても良い。
【０１１１】
（電流電圧特性）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用されるテラヘルツ素子モジュール１００に搭載可能なテラヘルツ素子４０の電流Ｉ−電圧Ｖ特性例（ＮＲＲ：負性抵抗領域）は、図１６（ａ）に示すように表され、逆バイアス電圧Ｖと逆方向電流Ｉの表示説明は、図１６（ｂ）に示すように表される。テラヘルツ素子４０には、ＲＴＤ９０が搭載されており、ＲＴＤが負性抵抗を示すバイアス範囲内で発振する。ＲＴＤ９０のメササイズは、例えば、約１．９μｍ2である。テラヘルツ素子４０には、ＲＴＤ９０に対して並列に寄生発振を抑制するための抵抗素子１１４が接続される。このため、図１６（ａ）において、逆バイアス電圧Ｖが、０．３０Ｖ〜０．５２Ｖの範囲が負性抵抗領域ＮＲＲとなっている。
【０１１２】
（ＣＶ特性）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用されるテラヘルツ素子モジュール１００に搭載可能なテラヘルツ素子４０のＣＶ特性例は、図１７に示すように表される。図１７に示されるＣＶ特性は、テラヘルツ素子４０に搭載されるＲＴＤ９０のＣＶ特性に対応している。白丸プロットは測定データであり、実線は、シミュレーション結果を示す。図１７に示すように、ＲＴＤ９０に印加する電圧Ｖを変化させると、ＲＴＤ９０自体のキャパシタンスＣが連続的に変化する。負性抵抗領域内は、発振してしまいキャパシタンスＣの実測は困難であるが、シミュレーション結果から、矢印Ａで示す傾向のキャパシタンスＣの変化を予測可能である。
【０１１３】
（周波数可変性の実証結果）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用されるテラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔに搭載可能なテラヘルツ素子４０の発振特性の実測結果は、図１８に示すように表される。図１８に示される発振特性は、△プロットにより、テラヘルツ素子４０に搭載されるＲＴＤ９０の発振周波数ｆ（ＧＨｚ）とバイアス電圧Ｖ（Ｖ）の関係を示しており、黒丸プロットにより、テラヘルツ素子４０に搭載されるＲＴＤ９０の出力信号強度（ｄＢｍ）とバイアス電圧Ｖ（Ｖ）の関係を示している。
【０１１４】
ＲＴＤ９０に印加するバイアス電圧Ｖ（Ｖ）を変えながら、発振周波数ｆ（ＧＨｚ）と出力信号強度（ｄＢｍ）を実測した結果、図１８に示すように、ＲＴＤ９０に印加するバイアス電圧Ｖ（Ｖ）を約３３８ｍＶ〜４７０ｍＶ程度まで変化させることで、発振周波数ｆが約２９２ＧＨｚ〜３２１ＧＨｚ程度まで変化している。すなわち、ＲＴＤ９０に印加するバイアス電圧Ｖ（Ｖ）を可変にすることで、ＲＴＤ９０自体のキャパシタンスを変化させて、発振周波数ｆを制御可能である。
【０１１５】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用されるテラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔは、ＣＡＮパッケージに封止されていても良い。例えば、ＣＡＮパッケージの直径は、約５．６ｍｍである。このサイズは、テラヘルツ帯逓倍器システムのサイズ（高さ８ｃｍ×幅１２ｃｍ×長さ２０ｃｍ）に比べて、約１／１０4である。
【０１１６】
したがって、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用されるテラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔに搭載可能なテラヘルツ素子４０は、小型でかつ簡便に使用できるテラヘルツ周波数帯の周波数可変光源として機能する。
【０１１７】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０によれば、ＲＴＤに印加する電圧を変化させるだけで、周波数可変光源として動作するため、ＲＴＤを用いた周波数可変光源と２ＤＰＣ導波路および２ＤＰＣ共振器を組み合わせた小型のテラヘルツ分光器を提供することができる。
【０１１８】
（２ＤＰＣ共振器）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、２ＤＰＣスラブ１２には、三角格子に配置された格子点（空孔）１２Ａを備え、厚さ約２００μｍのシリコン基板を適用可能である。このシリコン基板の抵抗率は、低伝搬損失を実現するために、例えば、約２０ｋΩｃｍとしている。三角格子の模式的平面パターン構成は、図５と同様に表され、格子定数ａは、例えば、約２４０μｍ、格子点の開孔の半径ｒ＝０．３０ａは、約７２μｍである。
【０１１９】
２ＤＰＣ共振器２０は、格子点１２Ａの複数個分の欠損および導波路からなり、図５と同様に、Γ―Ｊ方向に沿う共振器形成用の線欠陥によって形成されている。ここで、格子点１２Ａの複数個分の欠損とは、格子点１２Ａの空孔が形成されず、２ＤＰＣスラブ１２のシリコン基板のままの状態を表す。格子点１２Ａの複数個分の欠損および導波路とは、格子点１２Ａの空孔が形成されないことから所定の長さ分のΓ―Ｊ方向に沿う線欠陥導波路が形成された状態を表す。例えば、適用した格子点１２Ａの欠損数は、３個である。
【０１２０】
２ＤＰＣ共振器２０は、２ＤＰＣスラブ１２上において、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と第２の２ＤＰＣ導波路１４2との間に配置される。入力ポートＰ１から導入されたテラヘルツ波は、２ＤＰＣ共振器２０の共振モードに結合される。この結果、入力ポートＰ１から導入されたテラヘルツ波は、２ＤＰＣ共振器２０に共振モードで結合された第２の２ＤＰＣ導波路１４2の出力ポートＰ３において検出可能である。
【０１２１】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０に適用載可能な２ＤＰＣ共振器２０の共振周波数およびＱ値は、例えば、約３１８ＧＨｚおよび約１２０００である。
【０１２２】
（逓倍器による測定システム）
比較例に係るテラヘルツスペクトル測定システムは、図１９に示すように、逓倍器テラヘルツ信号源４５と、２ＤＰＣスラブ１２と、ミキサ２４と、スペクトルアナライザ２４とを備える。２ＤＰＣスラブ１２は、図２と同様の構成を備える。
【０１２３】
逓倍器テラヘルツ信号源４５は、図１９に示すように、ミリ波発生器３８と、ミリ波発生器３８に接続された逓倍器３２1・３２2とを備える。逓倍器３２1・３２2は、それぞれ３倍の逓倍器で構成されるため、９倍まで逓倍可能である。逓倍器３２2は、ＷＲ３導波管２６を介して２ＤＰＣスラブ１２の入力ポートＰ１に接続される。
【０１２４】
ミキサ２４は、ＷＲ３導波管２８を介して２ＤＰＣスラブ１２の出力ポートＰ３に接続される。２ＤＰＣスラブ１２の出力ポートＰ３からの出力は、スペクトルアナライザ２２によって発生されるローカル周波数信号（ＬＯ）とミキサ２４において混合されて、中間周波数信号（ＩＦ）に逓降変換される。
【０１２５】
図１９に示された比較例に係るテラヘルツスペクトル測定システムを用いて、周波数３１０ＧＨｚ−３２５ＧＨｚの範囲での比較例に係るテラヘルツ分光器３０Ｍの出力ポートＰ３における出力周波数（共振スペクトラム）の測定結果は、図２０に示すように表される。
【０１２６】
入力ポートＰ１から第１の２ＤＰＣ導波路１４1に入力されるテラヘルツ波の周波数ｆを３１５（ＧＨｚ）からスタートして可変にすると、周波数ｆ＝３１７．７８４（ＧＨｚ）において、シャープな共振特性を示す。この共振特性は、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と第１の２ＤＰＣ導波路１４2との間に配置される２ＤＰＣ共振器２０のキャビティーモードの共振周波数に対応している。測定により得られた共振周波数における出力信号の半値幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）およびＱ値は、約３４ＭＨｚおよび約９３００である。
【０１２７】
（テラヘルツ送信素子モジュールによる測定システム）
テラヘルツ信号源として、テラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔを適用した実施の形態に係るテラヘルツスペクトル測定システムの模式的ブロック構成は、図２１に示すように表される。
【０１２８】
実施の形態に係るテラヘルツスペクトル測定システムは、図２１に示すように、テラヘルツ信号源としてのテラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔと、２ＤＰＣスラブ１２と、ミキサ２４と、スペクトルアナライザ２４とを備える。２ＤＰＣスラブ１２は、図２と同様の構成を備える。
【０１２９】
テラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔは、ホーンアンテナ１６およびＷＲ３導波管２６を介して２ＤＰＣスラブ１２の入力ポートＰ１に接続される。
【０１３０】
ミキサ２４は、ＷＲ３導波管２８を介して２ＤＰＣスラブ１２の出力ポートＰ３に接続される。２ＤＰＣスラブ１２の出力ポートＰ３からの出力は、スペクトルアナライザ２２によって発生されるローカル周波数信号（ＬＯ）とミキサ２４において混合されて、中間周波数信号（ＩＦ）に逓降変換される。
【０１３１】
（検出系）
検出系を備える実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０の模式的ブロック構成は、図２２に示すように表される。また、検出系を備える実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０の詳細なブロック構成は、図２３に示すように表される。
【０１３２】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０は、図２２・図２３に示すように、テラヘルツ分光器３０と、ミキサ２４と、スペクトルアナライザ２２とを備える。実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０は、２ＤＰＣスラブ１２と、２ＤＰＣスラブ１２の入力ポートＰ１にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔとを備える。２ＤＰＣスラブ１２の詳細構造は、図２と同様である。
【０１３３】
テラヘルツ送信素子モジュール１００Ｔは、ホーンアンテナ１６およびＷＲ３導波管２６を介して２ＤＰＣスラブ１２の入力ポートＰ１に接続される。
【０１３４】
ミキサ２４は、ＷＲ３導波管２８を介して２ＤＰＣスラブ１２の出力ポートＰ３に接続される。２ＤＰＣスラブ１２の出力ポートＰ３からの出力は、スペクトルアナライザ２２によって発生されるローカル周波数信号（ＬＯ）とミキサ２４において混合されて、中間周波数信号（ＩＦ）に逓降変換される。
【０１３５】
（テラヘルツスペクトル測定システムの実験系）
テラヘルツ可変信号源１００Ｔとして、ステム実装ＲＴＤ１００Ｓを適用したテラヘルツスペクトル測定システムの実験系の詳細写真例は、図２４に示すように表される。テラヘルツ可変信号源１００Ｔは、ＳＭＡコネクタ４１０に接続されている。テラヘルツ可変信号源１００Ｔは、ステム実装ＲＴＤ１００Ｓとソケット１００Ｈとを備える。テラヘルツ可変信号源１００Ｔは、ホーンアンテナ１６およびＷＲ導波管２６を介して、サンプルホルダ４００に保持された２ＤＰＣスラブ１２に接続されている。２ＤＰＣスラブ１２は、出力ポートＰ３において、ＷＲ導波管２８を介してミキサ２４に接続される。
【０１３６】
（測定結果）
ＲＴＤ９０に印加するバイアス電圧Ｖを０．１ｍＶステップで変化させて、２ＤＰＣスラブ１２の出力ポートＰ３からの出力周波数を測定した結果は、図２５に示すように表される。
【０１３７】
また、ＲＴＤ９０に印加するバイアス電圧Ｖを０．１ｍＶステップで変化させて、２ＤＰＣスラブ１２の出力ポートＰ３からの出力電力（ｄＢ）を測定した結果は、図２６に示すように表される。
【０１３８】
ＲＴＤ９０に印加するバイアス電圧Ｖを０．１ｍＶステップで変化させて、２ＤＰＣスラブ１２の出力ポートＰ３からの出力周波数および出力電力を測定した結果によれば、実施の形態に係るテラヘルツスペクトル測定システムの発振周波数は、逓倍器による測定システムに比較して、容易に可変掃引することができる。
【０１３９】
逓倍器システムの逓倍器テラヘルツ信号源４５をステム実装ＲＴＤ１００Ｓで置き換えることにより、テラヘルツ素子モジュール１００としてＲＴＤを用いた小型集積分光システムを容易に実現可能である。
【０１４０】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０の出力ポートＰ３における出力電力（ｄＢ）の周波数依存性の測定結果（ＧＨｚ表示）は、図２７に示すように表される。
【０１４１】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０の出力ポートＰ３における校正後出力電力（ｄＢ）の周波数依存性の測定結果（ＲＴＤ：ＲＴＤによる測定結果、ＭＵＰ：逓倍器による測定結果の比較：ＧＨｚ表示）は、図２８に示すように表され、図２８の測定結果を電力換算して規格化した規格化強度の周波数依存性（ＲＴＤ：ＲＴＤによる測定結果、ＭＵＰ：逓倍器による測定結果の比較：ＧＨｚ表示）は、図２９に示すように表される。
【０１４２】
図２８および図２９に示すように、逓倍器テラヘルツ信号源４５をステム実装ＲＴＤ１００Ｓで置き換えることにより、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０は、逓倍器テラヘルツ信号源４５を用いたテラヘルツ分光器３０Ｍと良好な一致特性を示すことがわかる。
【０１４３】
（分解能）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器の出力ポートＰ３における規格化強度の周波数依存性における分解能の説明は、図３０に示すように表される。ここで、図３０は、分解能の説明として、図２９の一部の拡大図を採用している。
【０１４４】
ＲＴＤによる測定結果では、半値幅ＦＷＨＭ＝３４ＭＨｚ、中心周波数＝３１７．７８１ＧＨｚ、Ｑ＝９３００であり、逓倍器による測定結果では、半値幅ＦＷＨＭ＝３４ＭＨｚ、中心周波数＝３１７．７８４ＧＨｚ、Ｑ＝９３００である。分解能を半値幅ＦＷＨＭで定義すると、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０は、少なくともΔｆ＝３４ＭＨｚ〜程度の分解能を有することがわかる。この値は、テラヘルツ時間領域分光技術（ＴＤＳ：Time-Domain Spectroscopy）における分解能である数ＧＨｚ〜程度と比較して、約３０倍の高分解能である。
【０１４５】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０によれば、ＲＴＤを光源として用い、３４ＭＨｚ〜程度の高分解能を得ることができるため、ＲＴＤを用いた周波数可変光源と２ＤＰＣ導波路および２ＤＰＣ共振器を組み合わせた小型で高分解能のテラヘルツ分光器を提供することができる。
【０１４６】
（２ＤＰＣ共振器上に誘電体テープを搭載する例）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、２ＤＰＣ共振器２０上に誘電体テープ（絶縁層）４４を搭載した様子を示す写真例は、図３１（ａ）に示すように表され、誘電体テープ４４を搭載した２ＤＰＣスラブ１２部分の模式的断面構造は、図３１（ｂ）に示すように表される。誘電体テープ４４には、例えば、ポリエステルを使用している。
【０１４７】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、２ＤＰＣ分光器２０上に搭載した誘電体テープ４４の厚さをパラメータとする、出力ポートＰ３における規格化強度の周波数依存性は、図３２に示すように表される。
【０１４８】
図３２において、ＷＯＴは、誘電体テープ４４を搭載しない場合であり、共振周波数ｆ＝３１８．０２３ＧＨｚにおいて、規格化強度のピークが得られている。ＷＴ５は、２ＤＰＣ分光器２０上に厚さ５μｍの誘電体テープ４４を搭載した場合であり、共振周波数ｆ＝３１７．７６０ＧＨｚにおいて、規格化強度のピークが得られている。ＷＴ５０は、２ＤＰＣ分光器２０上に厚さ５０μｍの誘電体テープ４４を搭載した場合であり、共振周波数ｆ＝３１６．５５０ＧＨｚにおいて、規格化強度のピークが得られている。
【０１４９】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０においては、図３２に示すように、２ＤＰＣ分光器２０上に搭載した誘電体テープ４４の厚さによって、明確に規格化強度のピークのシフトを確認することができる。この結果は、逓倍器システムによる実験結果とも良い一致を示している。
【０１５０】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０は、ＲＴＤに印加する電圧を変化させるだけで、周波数可変光源として動作可能である。また、２ＤＰＣ導波路および微小２ＤＰＣ共振器と組み合わせることで微小な実効屈折率変化を観測できる。また、ＲＴＤを光源として用いることで、３４ＭＨｚ〜程度の高分解能を得ることができ、ＴＨｚ−ＴＤＳの分解能 数ＧＨｚ〜と比較して約３０倍の高分解能を有する。
【０１５１】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０によれば、実効屈折率、吸収係数（複素屈折率、誘電率）の微妙な変化を検出できるため、ＲＴＤを用いた周波数可変光源と２ＤＰＣ導波路および２ＤＰＣ共振器を組み合わせた小型で高分解能のテラヘルツ分光器を提供することができる。
【０１５２】
（ハイブリッド集積化モジュール）
―テラヘルツ可変光源のハイブリッド集積化―
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、テラヘルツ可変光源１００Ｔをハイブリッド集積化した２ＤＰＣスラブ１２の平面パターン構成は、図３３に示すように表される。テラヘルツ可変光源１００Ｔは、図１１〜図１３と同様に、ＲＴＤ９０を搭載した構造のテラヘルツ素子４０を備える。ここで、テラヘルツ可変光源１００Ｔは、入力ポートＰ１近傍の第１の２ＤＰＣ導波路１４1上に配置されている。テラヘルツ可変光源１００Ｔは、放射されるテラヘルツ波が、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と良好に結合可能なように、第１の２ＤＰＣ導波路１４1上にフリップチップに配置されていても良い。その他の構成は、図２と同様である。
【０１５３】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、テラヘルツ可変光源１００Ｔをハイブリッド集積化した２ＤＰＣスラブ１２上に、ＳＭＡコネクタ４１０Ｔに接続されたコプレーナ基板３４０Ｔを実装したモジュールの模式的構成例は、図３４に示すように表される。コプレーナ基板３４０Ｔは、接地電極３２０Ｇ・３３０Ｇと、接地電極３２０Ｇ・３３０Ｇに挟まれた信号線路３６０Ｓとを備える。
【０１５４】
テラヘルツ可変光源１００Ｔは、図３４に示すように、ボンディングワイヤ１０２Ｔ・１０３Ｔを介して、信号線路３６０Ｓ・接地電極３２０Ｇに接続される。
【０１５５】
信号線路３６０Ｓ・接地電極３２０Ｇ・３３０Ｇは、図３４に示すように、ＳＭＡコネクタ４１０Ｔに接続される。したがって、信号線路３６０ＳおよびＳＭＡコネクタ４１０Ｔを介してテラヘルツ可変光源１００Ｔに対するバイアス電圧を供給可能である。
【０１５６】
テラヘルツ可変光源１００Ｔをハイブリッド集積化した実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、２ＤＰＣ共振器２０上に搭載された誘電体テープ４４の厚さをパラメータとする出力ポートＰ３における規格化強度の周波数依存性の測定結果は、図３５に示すように表される。
【０１５７】
図３５において、ＷＯＴは、誘電体テープ４４を搭載しない場合であり、共振周波数ｆ＝３１８．１４ＧＨｚにおいて、規格化強度のピークが得られている。ＷＴ５は、２ＤＰＣ分光器２０上に厚さ５μｍの誘電体テープ４４を搭載した場合であり、共振周波数ｆ＝３１７．６３ＧＨｚにおいて、規格化強度のピークが得られている。ＷＴ５０は、２ＤＰＣ分光器２０上に厚さ５０μｍの誘電体テープ４４を搭載した場合であり、共振周波数ｆ＝３１６．５５ＧＨｚにおいて、規格化強度のピークが得られている。
【０１５８】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、テラヘルツ可変光源１００Ｔをハイブリッド集積化したモジュールの模式的構成例では、テラヘルツ可変光源１００Ｔと第１の２ＤＰＣ導波路との間の結合効率が落ちるため、Ｓ／Ｎが悪くなるが、図３５に示すように、２ＤＰＣ分光器２０上に搭載した誘電体テープ４４の厚さによって、明確に規格化強度のピークのシフトを確認することができ、センシングは可能である。
【０１５９】
第１の２ＤＰＣ導波路上にＲＴＤをハイブリッド集積化した実施の形態に係るテラヘルツ分光器において、出力ポートＰ３における規格化強度のピーク周波数の変化量と２ＤＰＣ共振器上に搭載された誘電体テープの厚さとの関係（共振周波数の誘電体テープ厚さ依存性）は、図３６に示すように表される。図３６において、□プロットは、測定結果であり、●プロットは、シミュレーションの結果である。
【０１６０】
２ＤＰＣ共振器の共振周波数は屈折率の変化によってシフトする。共振周波数がシフトする理由は、実効屈折率が変化するためである。すなわち、２ＤＰＣ共振器の共振周波数のシフト量は、実効的な屈折率の変化に依存している。シミュレーションの結果は、実効屈折率の変化を考慮した計算結果であり、図３６に示すように、両者は、良好な一致特性を示している。
【０１６１】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器は、２ＤＰＣ共振器の共振周波数が屈折率の変化によってシフトするという特性を利用して、環境変化をセンシングにも適用可能である。
【０１６２】
―テラヘルツ可変光源およびテラヘルツ検出器のハイブリッド集積化―
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、テラヘルツ可変光源１００Ｔおよびテラヘルツ検出器１００Ｒをハイブリッド集積化した２ＤＰＣスラブ１２の平面パターン構成は、図３７に示すように表される。テラヘルツ可変光源１００Ｔおよびテラヘルツ検出器１００Ｒは、図１１〜図１３と同様に、ＲＴＤ９０を搭載した構造のテラヘルツ素子
４０を備える。尚、テラヘルツ検出器１００Ｒとしては、ショットキーバリアダイオードを搭載した構造を備えていても良い。
【０１６３】
ここで、テラヘルツ可変光源１００Ｔは、入力ポートＰ１近傍の第１の２ＤＰＣ導波路１４1上に配置されている。テラヘルツ検出器１００Ｒは、出力ポートＰ３近傍の第２の２ＤＰＣ導波路１４2上に配置されている。
【０１６４】
テラヘルツ可変光源１００Ｔは、放射されるテラヘルツ波が、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と良好に結合可能なように、第１の２ＤＰＣ導波路１４1上にフリップチップに配置されていても良い。同様に、テラヘルツ検出器１００Ｒは、検出されるテラヘルツ波が、第２の２ＤＰＣ導波路１４2と良好に結合可能なように、第２の２ＤＰＣ導波路１４2上にフリップチップに配置されていても良い。その他の構成は、図２と同様である。
【０１６５】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０において、テラヘルツ可変光源１００Ｔおよびテラヘルツ検出器１００Ｒをハイブリッド集積化した２ＤＰＣスラブ１２上にＳＭＡコネクタ４１０ＴおよびＳＭＡコネクタ４１０Ｒに接続された送信器コプレーナ基板３４０Ｔおよび受信器コプレーナ基板３４０Ｒを実装したモジュール（テラヘルツ可変光源およびテラヘルツ検出器一体型ハイブリッドモジュール）の模式的構成例は、図３８に示すように表される。
【０１６６】
コプレーナ基板３４０Ｔは、接地電極３２０Ｇ・３３０Ｇと、接地電極３２０Ｇ・３３０Ｇに挟まれた信号線路３６０Ｓとを備える。コプレーナ基板３４０Ｒは、接地電極３２０Ｇ・３３０Ｇと、接地電極３２０Ｇ・３３０Ｇに挟まれた信号線路３６０Ｓとを備える。
【０１６７】
テラヘルツ可変光源１００Ｔは、図３８に示すように、ボンディングワイヤ１０２Ｔ・１０３Ｔを介して、信号線路３６０Ｓ・接地電極３２０Ｇに接続されている。テラヘルツ検出器１００Ｒ、図３８に示すように、ボンディングワイヤ１０４Ｒ・１０５Ｒを介して、信号線路３６０Ｓ・接地電極３２０Ｇに接続されている。
【０１６８】
送信側において、信号線路３６０Ｓ・接地電極３２０Ｇ・３３０Ｇは、図３８に示すように、ＳＭＡコネクタ４１０Ｔに接続されている。同様に、受信側において、信号線路３６０Ｓ・接地電極３２０Ｇ・３３０Ｇは、図３８に示すように、ＳＭＡコネクタ４１０Ｒに接続されている。したがって、ＳＭＡコネクタ４１０Ｔを介してテラヘルツ可変光源１００Ｔに対するバイアス電圧を供給可能であり、テラヘルツ検出器１００Ｒからの検出信号をＳＭＡコネクタ４１０Ｒから出力することができる。
【０１６９】
（テラヘルツセンシングシステム）
テラヘルツ波はそのエネルギーが水素結合や分子間振動のエネルギーに対応することから、分子間相互作用に基づく物質の非修飾センシング応用が期待される。生体高分子などテラヘルツ帯に明確な吸収ピークを示さない物質の高感度・極微量センシングには工夫が必要である。２ＤＰＣ共振器によるセンシングではＱ値を高くすることで検出感度が向上する。誘電体ＰＣでは、高Ｑ値を有する２ＤＰＣ共振器が作製可能である。
【０１７０】
実施の形態に係るテラヘルツセンシングシステムにおいて、適用した２ＤＰＣ共振器・導波路系の構造は、図１〜図７において説明した構造と同様である。即ち、２本の２ＤＰＣ導波路と１つの２ＤＰＣ共振器からなる構造であり、入力ポートＰ１からテラヘルツ波を入射すると、出力ポートＰ３、ポートＰ４には２ＤＰＣ共振器に捉えられた共振周波数成分のみが透過し、その透過スペクトルは共振周波数にピークを有するローレンツ型関数となる。２ＤＰＣ共振器近傍の屈折率変化が生じた場合、共振周波数が変化し、この変化を観測することにより物質の検出を行うことが可能である。
【０１７１】
２ＤＰＣ共振器表面に様々な厚みを持つ屈折率約１．６の誘電体テープを付加し、共振周波数の変化を測定した結果、前述の図３２に示すように、厚さ５μｍ（共振波長の０．５％）の誘電体テープ４４の有無を明瞭に判別可能である。このとき、周波数変化量は約−０．３２ＧＨｚであり、１ＧＨｚの周波数変化に対応する屈折率変化は−１．９となる。検出可能な周波数変化が共振モードの半値全幅と等しいと仮定した場合、検出可能な最小の屈折率変化は０．０７３となる。Ｑ値約５０の金属メッシュにおいては、厚さ１２５μｍ（共振波長の３０％）の物質に対する検出可能な屈折率変化は０．０３８である。したがって、高Ｑ値の２ＤＰＣ共振器を用いることで、金属メッシュの１／１０以下の量の物質に対して、同等の感度が得られ、高感度センシングが可能である。
【０１７２】
図３３に示された構成は、そのまま、実施の形態に係るテラヘルツセンシングシステムに適用可能である。
【０１７３】
すなわち、実施の形態に係るテラヘルツセンシングシステムは、図３３に示すように、２ＤＰＣスラブ１２と、２ＤＰＣスラブ１２内に周期的に配置され、２ＤＰＣスラブ１２３のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２ＤＰＣスラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第１の２ＤＰＣ導波路１４1と、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第２の２ＤＰＣ導波路１４2と、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と第２の２ＤＰＣ導波路１４2とをモード結合可能な２ＤＰＣ共振器２０と、第１の２ＤＰＣ導波路１４1上にハイブリッド集積化配置され、第１の２ＤＰＣ導波路１４1にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ可変光源１００Ｔとを備えていても良い。テラヘルツ可変光源１００Ｔは、第１の２ＤＰＣ導波路１４1上にフリップチップに配置されていても良い。
【０１７４】
また、図３７に示された構成は、そのまま、実施の形態に係るテラヘルツセンシングシステムに適用可能である。
【０１７５】
すなわち、実施の形態に係るテラヘルツセンシングシステムは、図３７に示すように、２ＤＰＣスラブ１２と、２ＤＰＣスラブ１２内に周期的に配置され、２ＤＰＣスラブ１２３のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２ＤＰＣスラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第１の２ＤＰＣ導波路１４1と、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第２の２ＤＰＣ導波路１４2と、第１の２ＤＰＣ導波路１４1と第２の２ＤＰＣ導波路１４2とをモード結合可能な２ＤＰＣ共振器２０と、第１の２ＤＰＣ導波路１４1上にハイブリッド集積化配置され、第１の２ＤＰＣ導波路１４1にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ可変光源１００Ｔと、第２の２ＤＰＣ導波路１４2上にハイブリッド集積化配置され、第２の２ＤＰＣ導波路１４2を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器１００Ｒとを備えていても良い。テラヘルツ可変光源１００Ｔは、第１の２ＤＰＣ導波路１４1上にフリップチップに配置されていても良く、テラヘルツ検出器１００Ｒは、第２の２ＤＰＣ導波路１４2上にフリップチップに配置されていても良い。
【０１７６】
テラヘルツ可変光源１００Ｔは、駆動電圧によって、発振周波数が変化するため、電圧毎の出力信号をモニターすることによって、電圧によって出力信号の強度が変化するため、小型高分解能のテラヘルツ分光器およびテラヘルツセンシングシステムを提供することができる。また、受信素子側にＲＴＤミキサＩＣを集積化すれば、直接テラヘルツ波をヘテロダイン検波できる。この場合、直接、周波数を測定できるため、上記の構成でテラヘルツ分光システムの要素をすべて集積化可能である。
【０１７７】
（生体センシングシステムの構成例）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、センサヘッドモジュール９００上にテラヘルツ分光器カートリッジ３０Ｃを搭載する様子を説明する生体センシングシステムの模式的鳥瞰構成は、図３９に示すように表される。
【０１７８】
また、実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、センサヘッドモジュール９００上にテラヘルツ分光器カートリッジ３０Ｃを搭載した生体センシングシステムの模式的鳥瞰構成は、図４０に示すように表される。
【０１７９】
また、実施の形態に係るテラヘルツ分光器３０を用いたテラヘルツセンシングシステムにおいて、２ＤＰＣ分光器２０上に有機生体膜４８を搭載した生体センシングシステムの２ＤＰＣスラブ１２部分の模式的断面構造は、図４１に示すように表される。
【０１８０】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、生体センシングシステムの構成例は、図３９に示すように、テラヘルツ分光器カートリッジ（導波路カートリッジ）３０Ｃと、センサヘッドモジュール９００とを備える。
【０１８１】
すなわち、実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムにおいて、テラヘルツ分光器カートリッジ（導波路カートリッジ）３０Ｃは、図３９に示すように、２ＤＰＣスラブ１２と、２ＤＰＣスラブ１２内に周期的に配置され、２ＤＰＣスラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２ＤＰＣスラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第１の２ＤＰＣ導波路１４Ａと、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第２の２ＤＰＣ導波路１４Ｂと、第１の２ＤＰＣ導波路１４Ａと第２の２ＤＰＣ導波路１４Ｂとをモード結合可能な２ＤＰＣ共振器２０Ｃと、２ＤＰＣ共振器２０Ｃ上に搭載された抗体（図示省略）とを備える。
【０１８２】
また、実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムにおいて、センサヘッドモジュール９００は、図３９に示すように、カートリッジ載置部８００と、カートリッジ載置部８００上に配置され、第１の２ＤＰＣ導波路１４Ａにテラヘルツ波を導入するテラヘルツ可変光源１００Ｔと、カートリッジ載置部８００上に配置され、第２の２ＤＰＣ導波路１４Ｂを伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器１００Ｒとを備える。
【０１８３】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムは、図３９および図４０に示すように、テラヘルツ分光器カートリッジ３０Ｃと、センサヘッドモジュール９００とを備え、センサヘッドモジュール９００上にテラヘルツ分光器カートリッジ３０Ｃを載置し、抗原を含む検体と抗体との抗原抗体反応を検出可能である。
【０１８４】
このように、実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムにおいては、図３９に示すように、２ＤＰＣ共振器２０Ｃ部分に抗体を塗布したテラヘルツ分光器カートリッジ３０Ｃを個別のモジュール部品として適用可能である。検出時には、図３９および図４０に示すように、テラヘルツ分光器カートリッジ３０Ｃをセンサヘッドモジュール９００上に搭載することでアライメントが完了できる。その後、抗原を含んだ検体をテラヘルツ分光器カートリッジ（導波路カートリッジ）３０Ｃの２ＤＰＣ共振器２０Ｃ部分に垂らして測定する。
【０１８５】
上記のようにテラヘルツ可変光源１００Ｔとテラヘルツ検出器１００Ｒはセンサヘッドモジュール９００上に搭載し、テラヘルツ分光器カートリッジ３０Ｃ部分(検体と接触する部位)とは、分離した形態で用いることが、使用形態の自由度上望ましい。例えば、唾液の検査、血液の検査など、高度な検査が要求される場合には、このような分離構成が望ましい。この場合、テラヘルツ分光器カートリッジ３０Ｃの２ＤＰＣ共振器２０Ｃ部分には、抗体をつけておいて抗原抗体反応が起きて、それに伴う実効屈折率の変化をセンシングすることが可能である。
【０１８６】
抗原抗体の種類によって、インフルエンザ糖尿病など多岐にわたる検査項目が存在するため、実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムにおいては、様々な用途に応じて、小型高分解能のテラヘルツセンシングシステムを提供することができる。
【０１８７】
（環境センシングシステムの構成例）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、環境変化をモニター可能な環境センシングシステムの模式的鳥瞰構成例は、図４２に示すように表される。
【０１８８】
すなわち、実施の形態に係る環境センシングシステムは、図４２に示すように、２ＤＰＣスラブ１２と、２ＤＰＣスラブ１２内に周期的に配置され、２ＤＰＣスラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２ＤＰＣスラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第１の２ＤＰＣ導波路１４Ａと、２ＤＰＣスラブ１２内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第２の２ＤＰＣ導波路１４Ｂと、第１の２ＤＰＣ導波路１４Ａと第２の２ＤＰＣ導波路１４Ｂとをモード結合可能な２ＤＰＣ共振器２０と、第１の２ＤＰＣ導波路１４Ａ上にハイブリッド集積化配置され、第１の２ＤＰＣ導波路１４Ａにテラヘルツ波を導入するテラヘルツ可変光源１００Ｔと、第２の２ＤＰＣ導波路１４Ｂ上にハイブリッド集積化配置され、第２の２ＤＰＣ導波路１４Ｂを伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器１００Ｒとを備えていても良い。テラヘルツ可変光源１００Ｔは、第１の２ＤＰＣ導波路１４Ａ上にフリップチップに配置されていても良く、テラヘルツ検出器１００Ｒは、第２の２ＤＰＣ導波路１４Ｂ上にフリップチップに配置されていても良い。
【０１８９】
上記の２ＤＰＣスラブ１２は、環境センシング用実装基板９２０上に配置されていても良い。
【０１９０】
また、実施の形態に係る環境センシングシステムは、図４２に示すように、環境センシング用実装基板９２０上に配置され、テラヘルツ可変光源１００Ｔを駆動する駆動モジュール制御回路９６と、環境センシング用実装基板９２０上に配置され、テラヘルツ検出器１００Ｒを駆動する駆動モジュール制御回路９８とを備えていても良い。
【０１９１】
また、実施の形態に係る環境センシングシステムは、図４２に示すように、テラヘルツ可変光源１００Ｔとボンディングワイヤ１０６を介して接続され、かつ駆動モジュール制御回路９６と接続された伝送線路８６０と、テラヘルツ検出器１００Ｒとボンディングワイヤ１０８を介して接続され、かつ駆動モジュール制御回路９８と接続された伝送線路８８０とを備えていても良い。ここで、伝送線路８６０と伝送線路８８０は、図４２に示すように、環境センシング用実装基板９２０上に配置されていても良い。環境センシング用実装基板９２０は、ケーブル９０２を介して外部に接続されていても良い。
【０１９２】
また、実施の形態に係る環境センシングシステムにおいて、環境センシング用実装基板９２０上に無線センサを搭載すれば、様々な環境センシングを無線センサネットワークを介してモニター可能である。
【０１９３】
実施の形態に係る環境センシングシステムにおいて、環境をモニターするということは、常時は、環境センシングシステムを駆動していて一定の信号を出し続け、環境変化があった時に環境変化に反応して変位信号検出するという動作をすることが可能である。実施の形態に係る環境センシングシステムは、例えば、上記のように送受信を制御するモジュールと一体になったものが望ましい。また、環境センシングシステム専用の集積回路を設計すれば、ワンパッケージ化されたセンサモジュールも実現可能である。
【０１９４】
（複数段連結させる例）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、共振周波数を変えた共振器を複数段連結させるセンシングシステムの模式的構成例は、図４３に示すように表される。
【０１９５】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、共振周波数を変えた共振器を複数段連結させるセンシングシステムは、図４３に示すように、２ＤＰＣスラブ１２1・１２2・１２3・１２4・１２5と、２ＤＰＣスラブ１２1・１２2・１２3・１２4・１２5内に周期的に配置され、２ＤＰＣスラブ１２1・１２2・１２3・１２4・１２5のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２ＤＰＣスラブ１２1・１２2・１２3・１２4・１２5の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２ＤＰＣスラブ１２1・１２2・１２3・１２4・１２5内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第１の２ＤＰＣ導波路１４11・１４12・１４13・１４14・１４15と、２ＤＰＣスラブ１２1・１２2・１２3・１２4・１２5内に格子点１２Ａの線欠陥により形成される第２の２ＤＰＣ導波路１４21・１４22・１４23・１４24・１４25と、第１の２ＤＰＣ導波路１４11・１４12・１４13・１４14・１４15と第２の２ＤＰＣ導波路１４21・１４22・１４23・１４24・１４25とをモード結合可能な２ＤＰＣ共振器２０1・２０2・２０3・２０4・２０5と、第１の２ＤＰＣ導波路１４11・１４12・１４13・１４14・１４15にテラヘルツ波を導入するテラヘルツ可変光源１００Ｔと、第２の２ＤＰＣ導波路１４21・１４22・１４23・１４24・１４25を伝搬するテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器１００Ｒ1・１００Ｒ2・１００Ｒ3・１００Ｒ4・１００Ｒ5とを備えていても良い。テラヘルツ可変光源１００Ｔは、第１の２ＤＰＣ導波路１４11上にハイブリッド集積化配置されていても良く、またフリップチップに配置されていても良い。テラヘルツ検出器１００Ｒ1・１００Ｒ2・１００Ｒ3・１００Ｒ4・１００Ｒ5は、第２の２ＤＰＣ導波路１４21・１４22・１４23・１４24・１４25上にハイブリッド集積化配置されていても良く、また、フリップチップに配置されていても良い。ここで、２ＤＰＣスラブ１２1・１２2・１２3・１２4・１２5の格子定数は、ａ1・ａ2・ａ3・ａ4・ａ5として異なる値を備えていても良い。また、格子点１２Ａの半径もｒ1・ｒ2・ｒ3・ｒ4・ｒ5として異なる値を備えていても良い。また、２ＤＰＣ共振器２０1・２０2・２０3・２０4・２０5の構成も用途に応じて、様々な構成を備えていても良い。
【０１９６】
実施の形態に係るテラヘルツ分光器を用いたテラヘルツセンシングシステムとして、共振周波数を変えた共振器を複数段連結させるセンシングシステムは、共振周波数ｆ1・ｆ2・ｆ3・ｆ4・ｆ5を変えたデザインを多段で連結させることができるため、同時に複数の周波数ピークをモニターすることができる。これにより測定の正確性が向上する。また異なる物質を同時にセンシングする用途としても適用可能である。
【０１９７】
（格子点の周期構造とバンド構造）
実施の形態に係るテラヘルツ分光器に適用可能な２ＤＰＣスラブ１２の格子点１２Ａの周期構造であって、正方格子・三角格子・長方格子・菱型格子（面心長方格子）の配置例は、図４４（ａ）・図４５（ａ）・図４６（ａ）・図４７（ａ）に示すように模式的に表され、対応する２ＤＰＣスラブ１２のバンド構造は、図４４（ｂ）・図４５（ｂ）・図４６（ｂ）・図４７（ｂ）に示すように表される。
【０１９８】
格子点１２Ａは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。
【０１９９】
また、格子点１２Ａは、正方格子若しくは長方格子に配置され、かつフォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における電磁波を２ＤＰＣスラブ１２面内で回折可能である。
【０２００】
また、格子点１２Ａは、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつフォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における電磁波をフォトニック結晶スラブ面内で回折可能である。
【０２０１】
すなわち、格子点１２Ａは、２ＤＰＣスラブ１２内に周期的に配置され、２ＤＰＣスラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２ＤＰＣスラブ１２の面内での存在を禁止するために回折可能である。
【０２０２】
また、格子点１２Ａは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの孔形状を備えていても良い。
【０２０３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、小型高分解能のテラヘルツ分光器およびテラヘルツセンシングシステムを提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態に係るテラヘルツ分光器およびテラヘルツセンシングシステムについて記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０２０４】
このように、本実施の形態はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０２０５】
本実施の形態のテラヘルツ分光器およびテラヘルツセンシングシステムは、指紋スペクトルによる物質の同定、複素誘電率の解析による材料評価、吸光度の違いによる物質の濃度判別、透視イメージング、生体センシング、環境センシングなど幅広い応用分野に適用可能である。
【符号の説明】
【０２０６】
１…半導体基板
２…第２の電極（カソード電極）
４……第１の電極（アノード電極）
５…テラヘルツ送信部
７…テラヘルツ検出部
１０、１０1、１０2、１０3、１０4…断熱的モード変換機構部
１２、１２1、１２2、１２3、１２4、１２5…２ＤＰＣスラブ
１２Ａ…格子点（空孔）
１２Ｓ…シフトした格子点（空孔）
１４、１４1、１４2、１４（Ｉ）、１４（０１）、１４（０２）、１４（０３）、１４（０４）、１４Ａ、１４Ｂ、１４11、１４12、・１４13、１４14、１４15、１４21、１４22、１４23、１４24、１４25…２ＤＰＣ導波路
１６…ホーンアンテナ
２０、２０Ｃ、２０1、２０2、２０3、２０4、２０5…２ＤＰＣ共振器
２０Ｄ、４０Ｄ…ダイポールアンテナ（アンテナ電極）
２０Ｆ、４０Ｆ…フィード線
２０Ｐ、４０Ｐ…パッド電極
２２…スペクトラムアナライザ
２４…ミキサ
２６、２８…導波管
３０、３０Ｍ…テラヘルツ分光器
３０Ｃ…テラヘルツ分光器カートリッジ（導波路カートリッジ）
３２1、３２2…逓倍器
４０…テラヘルツ素子
４４…誘電体テープ
４５…逓倍器テラヘルツ信号源
４８…有機生体膜
５０…ＭＩＭリフレクタ
９０…能動素子（ＲＴＤ）
９１ａ、９１ｂ…ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層
９２ａ…ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層
９３ａ、９３ｂ…アンドープのＧａＩｎＡｓ層
９４ａ、９４ｂ…トンネルバリア層（ＡｌＡｓ層）
９５…量子井戸層（ＩｎＧａＡｓ層）
９６、９８…駆動モジュール制御ＩＣ
１００…テラヘルツ素子モジュール
１００Ｔ…テラヘルツ送信素子モジュール（テラヘルツ可変光源）
１００Ｒ、１００Ｒ1、１００Ｒ2、１００Ｒ3、１００Ｒ4、１００Ｒ5…テラヘルツ検出素子モジュール（テラヘルツ検出器）
１００Ｓ…ステム実装ＲＴＤ
１００Ｈ…ソケット
１０２、１０２Ｔ、１０４、１０４Ｒ、１８０Ａ、１８０Ｋ…ボンディングワイヤ
１１０…パッケージステム（基板）
１１４…抵抗素子
１２０…キャップ
１２０Ｓ…側壁部
１２０ＴＯＰ…天井部
１４０…封止材
１６０…サブマウント
２００Ａ、２００Ｋ…リードピン
３２０Ｇ…接地電極
３４０、３４０Ｔ、３４０Ｒ…コプレナー基板
３６０Ｓ…信号線路
４００…サンプルホルダ
４１０、４１０Ｔ、４１０Ｒ…ＳＭＡコネクタ
８００…カートリッジ載置部
８６０、８８０…伝送線路
９００…センサヘッドモジュール
９０２…ケーブル
９２０…環境センシング用実装基板
ａ…周期（格子定数）
ｒ…（格子点（空孔）１２Ａの）半径
ｆ、ｆ1、ｆ2、ｆ3、ｆ4、ｆ5…周波数
Ｐ１…入力ポート
Ｐ３…出力ポート
ＯＰ…開口部.
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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