(57)【要約】【課題】関連技術ではＴＨｚ領域で動作するフィルタデバイスは提案されておらず、本発明において光通信システム及び無線通信システムで使用するグラフェン層を利用した光デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る周波数可変フィルタは、グラフェン二重層と、第一のグラフェン層１１の一端に接続された第一の金属電極１４と、第二のグラフェン層１２の一端に接続された第二の金属電極１５と、第一のグラフェン層１１と面接触する第一の絶縁体層１７で挟まれ、第一の絶縁体層１７を露出することで外部から入力された入射光を、第一の絶縁体層１７の露出部を透過して第一のグラフェン層１１に到達させる露出部を形成するための格子形状の第一のゲート電極２４と、第二のグラフェン層１２と面接触する第二の絶縁体層１８で挟まれ、第二の絶縁体層の露出部を形成するための格子形状の第二のゲート電極２５と、を備える。【選択図】図７
2015175957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のグラフェン層と第二のグラフェン層とで絶縁膜を挟みこんだグラフェン二重層と、
前記第一のグラフェン層の一端に接続された第一の金属電極と、
前記第二のグラフェン層の一端に接続された第二の金属電極と、
前記第一のグラフェン層と面接触する第一の絶縁体層で挟まれ、前記第一の絶縁体層を露出することで外部から入力された入射光を、前記第一の絶縁体層の露出部を透過して前記第一のグラフェン層に到達させる前記露出部を形成するための格子形状の第一のゲート電極と、
前記第二のグラフェン層と面接触する第二の絶縁体層で挟まれ、前記第二の絶縁体層の露出部を形成するための格子形状の第二のゲート電極と、
を備えることを特徴とする周波数可変フィルタ。
【請求項２】
前記グラフェン二重層は、
第一のグラフェン層において入射光が前記第一の絶縁体層の露出部を透過し到達して当該第一のグラフェン層の界面に表面プラズモンを発生させる
ことを特徴とする請求項１に記載の周波数可変フィルタ。
【請求項３】
前記第一のゲート電極は、
受信アンテナとして電磁波を受信し、
前記第二のゲート電極は、
放射アンテナとして前記電磁波を前記グラフェン二重層を介して選択的に放射する
ことを特徴とする請求項１に記載の周波数可変フィルタ。
【請求項４】
前記グラフェン二重層は、
前記第一のゲート電極における受信信号の共鳴トンネル周波数と一致するように、予め設定された前記表面プラズモンの共鳴周波数を有する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の周波数可変フィルタ。
【請求項５】
前記第二のゲート電極は、
前記受信信号の共鳴トンネル周波数と前記表面プラズモンの共鳴周波数が一致しない場合、前記受信信号の光成分を透過させる
ことを特徴とする請求項４に記載の周波数可変フィルタ。
【請求項６】
前記グラフェン二重層は、
前記表面プラズモンの非線形整流を利用して前記第一の金属電極及び第二の金属電極に対し光起電力を生成する
ことを特徴とする請求項４に記載の周波数可変フィルタ。
【請求項７】
前記グラフェン二重層は、
前記受信信号の共鳴トンネル周波数と前記表面プラズモンの共鳴周波数が一致する当該受信信号の周波数信号成分に含まれる強度変調データ信号を分離して、ベースバンド信号を抽出する
ことを特徴とする請求項４に記載の周波数可変フィルタ。
【請求項８】
前記グラフェン二重層は、
第一のグラフェン層において前記第一のゲート電極に印加されたバイアス量に応じて格子状にキャリア濃度を周期的に変調する
ことを特徴とする請求項１に記載の周波数可変フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グラフェン構造体を用いた周波数可変フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の通信システムでは、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚに亘るテラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数領域は、新しい周波数領域として、計測・通信への適用が期待されている。光通信で用いられる赤外線周波数域の連続発振（ＣＷ，Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）するレーザー光を二波用意し、それらの周波数をわずかにテラへルツ程度シフトさせて混合してフォトダイオードに照射すれば、フォトダイオードからはその差周波テラへルツ成分に対応した光電流成分が生成される。フォトダイオードの出力端に負荷抵抗を装荷すれば、テラへルツ電気信号が得られ、アンテナを介してテラへルツ電磁波として放射することができる。一方のＣＷレーザー光を振幅変調によってデータを搬送させた場合、フォトダイオードの出力にはそれら２つのレーザー光の差周波数に対応するテラへルツ波に当該のデータ信号が搬送された出力信号を得ることができる。すなわち、光通信帯のデータ信号をテラへルツ搬送周波数帯に下方変換（ダウンコンバート）することができるのである。この原理を利用して光通信用レーザー光源からテラへルツ電磁波を生成するフォトミキサーがミリ波・テラヘルツ波の発生源として開発されている。
【０００３】
これまで、このフォトミキサーを代表とする光信号処理デバイスとしては、単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ：Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）が検討されてきた。
【０００４】
ＵＴＣ−ＰＤは、有効質量の小さな電子のみをキャリアとして用いることから動作速度が速いが、それでも電子走行時間効果に律速され、１ＴＨｚの出力時には１０マイクロワット程度の出力に留まる。
【０００５】
また、将来の超高速情報通信システムでは光通信と無線との融合が検討されている。光通信と無線通信の融合においては、複数の異なる波長の光搬送波信号に独立にデータ信号が変調され、それらが多重化された光波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）信号のうちの任意の１つの波長成分の信号をフィルタリングして、テラへルツ無線周波数帯に下方変換する機能が重要となる。この方法としては、光ＷＤＭ信号をフィルタリングして１つの波長線分を抽出した後に、その光信号成分をテラヘルツ帯に下方変換する方法と、光ＷＤＭ信号をまずはそのままテラへルツ無線周波数帯に下方変換し、テラへルツ周波数帯に変換された複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の１つの搬送周波数成分をフィルタリングする方法とがある。前者は、機能的には上述したＵＴＣ−ＰＤのフォトミキシング機能によって実現できるが、上述したＵＴＣ−ＰＤの周波数応答限界によって、テラへルツ周波数帯での実現は困難である。一方、後者の場合には、テラへルツ信号に対する周波数可変フィルタ機能の実現が重要となるが、ＴＨｚ領域で動作するフィルタデバイスは実現されていない。そこで、更に高周波なこの波長領域をカバーする信号処理デバイスとして、グラフェンを適用した各種デバイスの検討が進められている。
【０００６】
その内の１つの関連技術に、グラフェンのバンド間光吸収を利用したグラフェン電気二重層（キャパシタ）による光強度変調器がある（例えば、非特許文献１参照。）。関連技術における光強度変調器の構造を図１及び図２に示す。図２において、３１は第一のグラフェン層、３２は第二のグラフェン層、３３は絶縁膜、３４は第一の金属電極、３５は第二の金属電極、３６は光導波路、３７は基板である。図２に示すように、Ｓｉからなる光導波路３６に対し、第一のグラフェン層３１、第二のグラフェン層３２及び絶縁膜３３で二重層のグラフェンを構成する構造としている。第一のグラフェン層３１と第二のグラフェン層３２の間を絶縁する絶縁膜３３はＡｌ２Ｏ３で構成され、二重層のグラフェンでキャパシタを構成している。
【０００７】
第一のグラフェン層３１と第二のグラフェン層３２の間に外部より電圧を印加すると、それぞれのグラフェン層がｐ型、あるいは、ｎ型となる。その際、フェルミ面の変化量をΔＥｆ、光導波路３６を透過するフォトンのエネルギーをＥｐｈとすれば、ΔＥｆ＞Ｅｐｈ／２の場合はそれぞれのグラフェン層で光吸収が発生せず、ΔＥｆ≦Ｅｐｈ／２の場合はそれぞれのグラフェン層で光吸収が発生することとなる。以上により、それぞれのグラフェン層を光吸収層として独立に機能させ、電位差に応じて吸収／非吸収を制御することが可能となる。この結果、グラフェンを利用した光吸収型の光強度変調器が構成できることとなる。
【０００８】
また、２つ目の関連技術では、同様のグラフェン二重層キャパシタ構造の両グラフェンの外面状にそれぞれ別の絶縁体薄層を介して平面状のゲート電極が配置されたグラフェンヘテロ接合構造体がある（例えば、非特許文献２参照。）。図３において、１１は第一のグラフェン層、１２は第二のグラフェン層、１３は絶縁膜、１４は第一の金属電極、１５は第二の金属電極、１７は第一の絶縁体層、１８は第二の絶縁体層、２２は第一のゲート電極、２３は第二のゲート電極である。図３に示すように、グラフェン二重層キャパシタは、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２で絶縁膜１３を挟むグラフェン二重層を備えていることで、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２間の共鳴電子放射遷移エネルギーと、放出されるフォトンエネルギーのスペクトルとを第一のゲート電極２２に印加されたバイアスに応じて調整することができるため、吸収や変調を行うテラヘルツ信号の周波数を可変制御できることから、テラへルツ信号をより有効に利用することができる。
【０００９】
図４及び図５は、関連技術に係るグラフェン二重層キャパシタにバイアスを印加した場合の説明図を示す。図４では、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２で絶縁膜１３を挟むグラフェン二重層キャパシタにバイアス印加し、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成した場合、トンネルバリア層が十分に薄くても、トンネルの始状態と終状態の運動量保存が成立しないため、トンネルは阻止されることを示す。
【００１０】
図５では、グラフェン二重層キャパシタ構造体の外側に対し第一のゲート電極２２及び第一の絶縁体層１７を接続されたゲートスタック構造を付加し、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２のポテンシャルを第一のゲート電極２２に印加するゲートバイアスをシフトして、バンドオフセットをキャンセルすることで、トンネルの始状態と終状態の運動量保存が成立し、共鳴トンネルが生じる関連技術を示す（例えば、非特許文献３参照。）。
【００１１】
３つ目の関連技術では、同様のグラフェン二重層キャパシタ構造の両グラフェンの外面状にそれぞれ別の絶縁体薄層を介して平面状のゲート電極が配置された光強度変調器がある（例えば、非特許文献４参照。）。図６において、１１は第一のグラフェン層、１２は第二のグラフェン層、１３は絶縁膜、１４は第一の金属電極、１５は第二の金属電極、１６は光導波路、１７は第一の絶縁体層、１８は第二の絶縁体層、２２は第一のゲート電極、２３は第二のゲート電極である。図６に示す光強度変調器は、二重のグラフェン層共鳴トンネルと負の差動間の第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２から構成されるＧＬ（Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｌａｙｅｒ）伝導性を有する。図６に示すように、光強度変調器は、グラフェン二重層キャパシタ構造において、プラズマ振動と非周期的な摂動の自励振に対して安定した電子―正孔プラズマを有することでき、入射テラヘルツ電磁波によるプラズマ振動の励起は、放射線検出器上の周波数応答性の鋭い共振依存性及びバイアス電圧をもたらすことができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｍ．  Ｌｉｕ  ｅｔ  ａｌ.，  “Ｄｏｕｂｌｅ−ｌａｙｅｒ  ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，”  Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．，  １２，  １４８２，  （２０１２）
【非特許文献２】Ｖ．  Ｒｙｚｈｉｉ  ｅｔ  ａｌ.，  ”Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｌａｓｅｒ  ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｉｎｔｅｒ−ｌａｙｅｒ  ｒａｄｉａｔｉｖｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｄｏｕｂｌｅ−ｇｒａｐｈｅｎｅ−ｌａｙｅｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，”  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  １０３，  １６３５０７  （２０１３）
【非特許文献３】Ｌ．  Ｂｒｉｔｎｅｌｌ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ，”  Ｎａｔｕｒｅ  Ｃｏｍｍ．  ４，  １７９４，  ２０１３．
【非特許文献４】Ｖ  Ｒｙｚｈｉｉ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｄｙｎａｍｉｃ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  ｄｏｕｂｌｅ  ｇｒａｐｈｅｎｅ−ｌａｙｅｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｗｉｔｈ  ｉｎｔｅｒ−ｌａｙｅｒ  ｒｅｓｏｎａｎｔ−ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ  ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ”  Ｊ．  Ｐｈｙｓ．  Ｄ：  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ４６  （２０１３）  ３１５１０７  （６ｐｐ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここで、将来の超高速情報通信システムの実現には光通信と無線との融合が必須である。１００ＧＨｚから１０ＴＨｚに亘るテラヘルツ（ＴＨｚ）の周波数領域は、新しい周波数領域として、計測・通信への適用が期待されている。この波長領域をカバーする信号処理デバイスとして、グラフェンを適用した各種デバイスの検討が進められている。また、将来の超高速情報通信システムでは光通信と無線との融合が検討されており、ＴＨｚ周波数帯に迫る複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の１つの搬送周波数成分をフィルタリングする周波数可変フィルタ機能の実現が重要となる。
【００１４】
例えば、現行のハイビジョンテレビ映像よりも２桁以上の画素数を有する次世代超高精細（スーパーハイビジョン）テレビ映像信号を非圧縮で伝送するためには映像信号Ｉチャネルあたり４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送レートが必要とされており、これを単純な振幅シフトキーイング（ＡＳＫ）変調方式で伝送するには、およそ伝送レートの１０倍の高い搬送周波数が必要である。例えば、１ＴＨｚの搬送周波数に４０ＧＢｉｔ／ｓのＡＳＫ信号が変調され、１００ＧＨｚ程度の間隔で異なる搬送周波数で独立に変調された多数の信号が多重化されて伝送されている場合には、通過帯域８０ＧＨｚと、通過域から遮断域までの遷移周波数帯域が２０ＧＨｚ未満の急峻な遮断特性を両立しつつ、かつ、通過帯域を周波数可変できる「周波数可変フィルタ」機能が必要となる。
【００１５】
テラヘルツ周波数帯に迫る複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の１つの搬送周波数成分をフィルタリングする「周波数可変フィルタ」機能の実現が重要である。しかしながら、ＴＨｚ領域でそのような周波数選択性能を有して動作するフィルタデバイスは提案されていない。また、前述した関連技術では、光通信として使用する光デバイスとして効果的にグラフェン層を十分に利用することができない。
【００１６】
前記課題を解決するために、本発明は、トンネルバリアとして機能する絶縁体薄層をグラフェンでサンドイッチし、一方のグラフェン層にはソース電極を設置し、他方のグラフェン層にはドレイン電極を設置し、さらにその両グラフェンの外面状にそれぞれ別の絶縁体薄層を介して格子状のゲート電極を配置してなるグラフェンヘテロ接合構造体により、ＴＨｚ周波数帯に迫る複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の１つの搬送周波数成分をフィルタリングする周波数可変フィルタ機能を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るグラフェンヘテロ接合構造体によって構成される周波数可変フィルタは、トンネルバリアとして機能する絶縁体薄層をグラフェンでサンドイッチし、一方のグラフェン層にはソース電極を設置し、他方のグラフェン層にはドレイン電極を設置され、さらにその両グラフェンの外面状にそれぞれ別の絶縁体薄層を介して配置された格子状のゲート電極を備える。
【００１８】
具体的には、本発明に係る周波数可変フィルタは
第一のグラフェン層と第二のグラフェン層とで絶縁膜を挟みこんだグラフェン二重層と、
前記第一のグラフェン層の一端に接続された第一の金属電極と、
前記第二のグラフェン層の一端に接続された第二の金属電極と、
前記第一のグラフェン層と面接触する第一の絶縁体層で挟まれ、前記第一の絶縁体層を露出することで外部から入力された入射光を、前記第一の絶縁体層の露出部を透過して前記第一のグラフェン層に到達させる前記露出部を形成するための格子形状の第一のゲート電極と、
前記第二のグラフェン層と面接触する第二の絶縁体層で挟まれ、前記第一の絶縁体層の露出部を形成するための格子形状の第二のゲート電極と、を備える。
【００１９】
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
第一のグラフェン層において入射光が前記第一の絶縁体層の露出部を透過し到達して当該第一のグラフェン層の界面に表面プラズモンを発生させてもよい。
【００２０】
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記第一のゲート電極は、
受信アンテナとして電磁波を受信し、
前記第二のゲート電極は、
放射アンテナとして前記電磁波を前記グラフェン二重層を介して選択的に放射してもよい。
【００２１】
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
前記第一のゲート電極における受信信号の共鳴トンネル周波数と一致するように、予め設定された前記表面プラズモンの共鳴周波数を有してもよい。
【００２２】
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記第二のゲート電極は、
前記受信信号の共鳴トンネル周波数と前記表面プラズモンの共鳴周波数が一致しない場合、前記受信信号の光成分を透過してもよい。
【００２３】
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
前記表面プラズモンの非線形整流を利用して前記第一の金属電極及び第二の金属電極に対し光起電力を生成してもよい。
【００２４】
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
前記受信信号の共鳴トンネル周波数と前記表面プラズモンの共鳴周波数が一致する当該受信信号の周波数信号成分に含まれる強度変調データ信号を分離して、ベースバンド信号を抽出してもよい。
【００２５】
本発明に係る周波数可変フィルタでは、
前記グラフェン二重層は、
第一のグラフェン層において前記第一のゲート電極に印加されたバイアス量に応じて格子状にキャリア濃度を周期的に変調してもよい。
【００２６】
なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、テラヘルツ周波数帯に迫る複数の搬送周波数に多重化して変調されたデータ信号成分の任意の１つの搬送周波数成分をフィルタリングする「周波数可変フィルタ」機能を実現できる。さらには、周波数可変なフィルタ機能によって抽出された周波数信号成分に含まれる強度変調データ信号を搬送周波数から分離してベースバンド信号として抽出する機能とを同時に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第一の関連技術に係る光強度変調器の構造図を示す一例である。
【図２】第一の関連技術に係る光強度変調器の構造図を示す一例である。
【図３】第二の関連技術に係るグラフェン二重層キャパシタの構造図を示す一例である。
【図４】関連技術に係るグラフェン二重層キャパシタにバイアスを印加した場合の第１の説明図を示す一例である。
【図５】関連技術に係るグラフェン二重層キャパシタにバイアスを印加した場合の第２の説明図を示す一例である。
【図６】第三の関連技術に係る光強度変調器の構造図を示す一例である。
【図７】本実施形態に係る周波数可変フィルタの構造図を示す一例である。
【図８】本実施形態に係る周波数可変フィルタにバイアスを印加した場合の説明図を示す一例である。
【図９】本実施形態に係る周波数可変フィルタにバイアスを印加した場合の説明図を示す一例である。
【図１０】光エネルギーの吸収効率を示すグラフを示す一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００３０】
本実施形態で説明する周波数可変フィルタの構造を図７に示す。１１は第一のグラフェン層、１２は第二のグラフェン層、１３は絶縁膜、１４は第一の金属電極、１５は第二の金属電極、１６は光導波路である。第一のグラフェン層１１、第二のグラフェン層１２、及び両者の間を絶縁する絶縁膜１３でグラフェン二重層を構成している。第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２は、それぞれ、第一の金属電極１４と第二の金属電極１５に接続されている。２４は第一のグラフェン層１１に面接触する第１の絶縁体層１７に露出部を形成するための格子形状の第一のゲート電極である。２５は第二のグラフェン層１２に面接触する第二の絶縁体層１８に露出部を形成するための格子形状の第二のゲート電極である。
【００３１】
本実施形態では、図７で示す周波数可変フィルタにおいて、一定のエネルギーの光が入射した場合、第１の絶縁体層１７に設けられた格子形状の露出部を介して第一のグラフェン層１１に到達したフォトンの吸収によって共鳴トンネルがアシストされる。ここで、第一のゲート電極は格子形状を有しているため、格子形状に従って露出された第一の絶縁体層１７の露出部から到達したフォトンにより、第一のグラフェン層１１の表面に局在する電磁波及び分極が交互に入れ替わることにより、当該グラフェン層面にプラズマ表面波である表面プラズモンを励起することができる。図８及び図９は、本実施形態に係るバイアスを印加した周波数可変フィルタの状態を示す。図８は本実施形態において、フォトンの発光にアシストされて生じる共鳴トンネリングを示し、図９はフォトンの吸収にアシストされて生じる共鳴トンネリングを示す。具体的には、グラフェン二重層キャパシタ構造体を有する周波数可変フィルタの第一の金属電極１４と第二の金属電極１５の間にバイアス印加し、ｐ−ｉ−ｎ接合を形成した場合、トンネルバリア層が十分に薄くても、トンネルの始状態と終状態の運動量保存が成立しないため、トンネルは阻止される。しかし、ここで、格子形状の第一のゲート電極２４と格子形状の第二のゲート電極２５にバイアスを印加すれば、図８や図９に示したように、第一のグラフェン層１１と第二のグラフェン層１２のエネルギー差：Δをバイアスに応じて相対的にシフトすることができる。その結果、図８に示すように、運動量保存則を満たすに等しいエネルギーのフォトンが入射した場合、入射された光のフォトンの吸収によって共鳴トンネルがアシストされる。また、図９に示すように、運動量保存則を満たすに等しいエネルギーのフォトンを放出・発光することによっても、共鳴トンネルがアシストされる。
【００３２】
本実施形態に係る周波数可変フィルタが有する第一のゲート電極２４及び第二のゲデート電極２５は、格子型の形状で構成されている。第一のゲート電極２４及び第二のゲデート電極２５は、格子形状の導体であるため、格子形状のアンテナ素子として機能することができる。パッチ型アンテナとして広く用いられている単なる平面形状のアンテナ素子を有する関連技術では、パッチ型アンテナは、その一辺の長さが電磁波の半波長もしくはその整数倍と合致する電磁波のみ結合する（受信もしくは放射する）ことができる、「狭帯域アンテナ」である。このため、本発明が意図する周波数可変性を実現しうる「広帯域」応答はできない。一方、本実施形態に係る周波数可変フィルタでは、格子形状の金属平面アレイ構造は広帯域のアンテナ素子として機能し、広い周波数帯域にわたり、効率よく電磁波とプラズモンの結合を果たすことができる。
【００３３】
具体的には、本実施形態に係る周波数可変フィルタにおいて、励起したプラズマ波の共鳴周波数の周期性は、プラズマ波の分散関係（周波数と波数の関係）に変化をもたらす。本実施例のようなゲート制御下のプラズマ波の分散関係は線形であり、かつ、プラズマ波速度は一般に光の速度（分散線の傾きに対応する）に比して二桁程度低いため、光の分散線とプラズマ波の分散線とが交わることはなく、両者の間でエネルギーの交換は起こりえない。しかしながら、本実施例のごとく、格子形状の金属平面アレイゲート電極２４、２５によってグラフェン内キャリア濃度が周期的に変調され、その結果、プラズモン領域が周期的に形成されることとなり、ゲートの格子形状の周期性に応じてプラズマ波の分散線は基本波数を周期として周期的に多数折り返される。プラズマ波の分散線が折り返されることで、光の分散線と稠密に交差することとなり、各々の交点では光波とプラズマ波との間でエネルギー及び運動量の保存則を満たすこととなる。従って、光波とプラズマ波とが結合し、両者の間でエネルギーの変換が相互にできる周波数が稠密に多数存在することになる。このように、交互に配置された、同一周期を有する第１のゲート電極２４及び第２のゲート電極２５が広帯域なアンテナとして機能し、テラヘルツ電磁波・プラズマ波間のモード変換をすることができる。
【００３４】
上述の機構によって、本実施形態に係る周波数可変フィルタにおいて、第一のゲート電極２４及び第二のゲート電極２５は周期的な格子形状の構造によってテラヘルツ電磁波のエネルギーをプラズマ波に変換し励起することができる。一方、プラズマ波が何らかの外的要因によって励起されると、そのプラズマ波のエネルギーをテラヘルツ電磁波に変換することも可能となる。テラヘルツ電磁波からプラズマ波への変換は、テラヘルツ電磁波を受信するアンテナとしての利用を可能とし、一方、プラズマ波からテラヘルツ電磁波への変換は、テラヘルツ電磁波を放射するアンテナとして利用することができる。
【００３５】
本実施形態では、周波数可変フィルタにおいて、トンネル確率の入射フォトンエネルギー依存性はトンネルバリア層厚、第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２のドーピング濃度に依存した共鳴特性を有する。そのトンネル確率に依存して、共鳴周波数におけるトンネル電流、すなわちフォトンの吸収率は、非共鳴周波数に比して増大する。
【００３６】
第一のグラフェン層１１及び第二のグラフェン層１２のドーピング濃度は、ソース・ドレイン間電圧Ｖで平均的に与えられ、ゲート電圧Ｖｇでさらに周期的に変調される。バンドオフセット依存の共鳴吸収フォトンエネルギーはゲート電圧Ｖｇで制御することができる。ここで、格子形状の第一のゲート電極２４及び第二のゲート電極２５の構造体は、グラフェン内二次元プラズモンと入射電磁波との結合を果たす広帯域アンテナとして機能してもよい。
【００３７】
第一のゲート電極２４及び第二のゲート電極２５の構造体は、格子状のため、ゲートバイアスＶｇによってグラフェン面内に誘起されるキャリア濃度はゲート格子に対応してストライプ状に周期的に変調される。このキャリア濃度の周期的変調に伴い、グラフェン面内の二次元プラズモンに共鳴モードが定まる（共鳴周波数∝（キャリア濃度）１／４、∝（ストライプの幅の逆数））。このプラズモン共鳴周波数を共鳴トンネル周波数に一致させることに従って、図１０に示すように共鳴周波数におけるトンネル電流、すなわちフォトンの吸収率は、非共鳴周波数と比較して３桁以上も増大する。
【００３８】
図１０では、ｄ＝４ｎｍの構造寸法条件を仮定して、ソース・ドレイン間電圧Ｖを変化した場合の光検出感度Ｒωの入射フォトンエネルギーに対する依存性を実線でプロットしている。また、同時に、ｄ＝２ｎｍの異なる構造寸法条件に対して、Ｖ＝８７ｍＶの条件の特性を破線でプロットし、ｄ＝４ｎｍの場合と比較している。いずれの特性においても、構造寸法とキャリア濃度で定まる共鳴周波数で光検出感度はピーク（最大）となり、非共鳴周波数の検出感度と比較して、３桁以上の感度の増大が認められる。（Ｖ＝１４９ｍＶ，８７ｍＶの特性は非共鳴周波数域の光検出感度値が図の縦軸の枠外に小さくなっていて、図では確認できないが、いずれも３桁以上の感度低下（共鳴点で見れば３桁以上の増大）が計算結果では現れている）。
【００３９】
非共鳴なフォトンはそのまま透過して、裏面の格子状ゲートのアンテナ機能によって再び放射される。その結果、周波数可変のストップバンドフィルタとして機能する。グラフェンプラズモンの非線形整流作用によって、ドレイン電極として機能する第一の金属電極１４及びソース電極として機能する第二の金属電極１５間には光起電力を励起することができる。
【００４０】
光起電力の応答速度は、グラフェンプラズモンの運動量緩和時間（室温でピコ秒〜サブピコ秒）の数１０倍程度であることから、もしも、入射テラヘルツ波が搬送周波数としてその強度変調によってデータ信号がコード化されている場合には、ドレイン電極として機能する第一の金属電極１４及びソース電極として機能する第二の金属電極１５間にはデータ信号のみが抽出され、出力されることになる。
【００４１】
上述した本実施形態により、周波数可変なフィルタ機能とフィルタで抽出された周波数信号成分に含まれる強度変調データ信号を搬送周波数から分離してベースバンド信号として抽出する機能とを同時に実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は情報通信産業に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１１：第一のグラフェン層
１２：第二のグラフェン層
１３：絶縁膜
１４：第一の金属電極
１５：第二の金属電極
１６：光導波路
１７：第一の絶縁体層
１８：第二の絶縁体層
２２、２４：第一のゲート電極
２３、２５：第二のゲート電極
３１：第一のグラフェン層
３２：第二のグラフェン層
３３：絶縁膜
３４：第一の金属電極
３５：第二の金属電極
３６：光導波路
３７：基板
【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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