(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の開口および第２の開口を有する筐体と、
テラヘルツ波を出力する素子と、
前記第１の開口を封止するとともに光信号を透過させる窓部材と、
この窓部材を介して前記素子に光信号を入力する入力手段と、
前記テラヘルツ波が透過する第１のレンズと、
この第１のレンズを保持して前記第２の開口の近傍に配設する保持部材と
を備えたテラヘルツ波発生器であって、
前記保持部材は、孔を有し、
この孔は、前記第１のレンズにより封止され、
前記第２の開口は、前記保持部材および前記第１のレンズにより封止され、
前記素子は、前記筐体、前記窓部材、前記保持部材および前記第１のレンズにより構成される密閉空間内に配設され、
前記筐体の内部が気密封止された
ことを特徴とするテラヘルツ波発生器。
【請求項２】
前記入力手段と前記窓部材との間に設けられ、前記光信号を平行光とする第２のレンズ
と、
前記窓部材と前記素子との間に設けられ、前記光信号を収束して前記素子に入力させる
第３のレンズと
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波の発生や受信といった基礎的研究からテラヘルツ波を利用したシステムの応用研究まで、テラヘルツ波の研究開発が広範囲に亘って盛んに行われている。テラヘルツ波は、概ね０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの周波数の電磁波であり、電波と光の中間の周波数を有している。そのため、電波と光の両方の特長を併せ持った特性を有している。この特性を活かして、ＨＤ（High Definition）映像をリアルタイムで電送できる大容量無線通信システム、絵画や危険物質を映像化して検査する非破壊検査、イメージングシステム、電波天文で使われる電波望遠鏡の分光装置、危険ガスや薬品などを非接触で検知、分析する分光センシングシステムなどへの応用が盛んに検討されている。このようなテラヘルツ波を応用したシステムを実用化するためには、安価、小型軽量、使い勝手が良く、高出力広帯域かつ広範囲の周波数領域を掃引可能なテラヘルツ波発生器が不可欠である。
【０００３】
テラヘルツ波発生器を実現する一つの装置として、超高速な半導体受光素子を利用するフォトミキサがある（例えば、非特許文献１参照。）。このフォトミキサは、テラヘルツの周波数で変調された光を受光素子に入射して同じ周波数の変調電気信号に変換し、これをさらに電磁波として空間に出力する装置である。このフォトミキサにおいて、テラヘルツ波を空間に出力する方法としては、主に２つの方法が採用されている。一つは、受光素子から出力された電気信号を放射器などによって導波管の電磁波伝搬モードに変換し、その導波管から空間に放射する方法である。もう一つは、受光素子とともにアンテナを半導体チップに集積し、その受光素子の電気信号をそのアンテナから直接空間に電磁波として放射する方法である。いずれの方法においても、受光素子を搭載して固定するとともに、受光素子に光を入射するための光ファイバや光学レンズなどを取り付ける金属製のパッケージが必要である。通常は、通信用光デバイスによく用いられるバタフライパッケージを改造したパッケージが使用されることが多い。このパッケージを用いたそれぞれの例について、図２，図３を参照して説明する。
【０００４】
導波管を用いたフォトミキサモジュール１００は、図２に示すように、テラヘルツ周波数で変調された光が入力される光コネクタ１０１と、この光コネクタ１０１に一端が接続された光ファイバ１０２と、一端に光ファイバ１０２の他端が接続されたファイバフェルール１０３と、このファイバフェルール１０３を支持するフェルールカラー１０４と、ファイバフェルール１０３の他端と対向配置されたコリメーションレンズ１０５と、このコリメーションレンズ１０５が側面１０６ａに配設された金属フレーム１０６とを備えている。この金属フレーム１０６は上面が開口した筐体からなり、その上面には蓋部材１０７が封着されている。また、金属フレーム１０６の側面１０６ａには、コリメーションレンズ１０５と対向する位置に開口部１０６ｂが形成され、この開口部１０６ｂは、テラヘルツの周波数で変調された光を透過可能な材料からなる窓部材１０８により金属フレーム１０６の内部から塞がれている。また、金属フレーム１０６の内部底面には、サブマウント１０９が設けられており、このサブマウント１０９上には、窓部材１０８と対向配置された集光レンズ１１０と、この集光レンズ１１０と対向配置された受光素子１１１と、この受光素子１１１に一端が接続された高周波電気結線１１２と、一端にこの高周波電気結線１１２の他端が接続されたインピーダンス変換線路１１３とが配設されている。また、サブマウント１０９および金属フレーム１０６の底面には、一端がインピーダンス変換線路１１３の他端、他端が金属フレーム１０６の外部に開口し、金属フレーム１０６内外を連通する導波管１１４が形成されている。
このようなフォトミキサモジュール１００において、テラヘルツ波は、インピーダンス変換線路１１４の他端から導波管１１４を介して金属フレーム１０６外部に出力される。
【０００５】
また、アンテナを用いたフォトミキサモジュール２００は、図３に示すように、テラヘルツ周波数で変調された光が入力される光コネクタ２０１と、この光コネクタ２０１に一端が接続された光ファイバ２０２と、一端に光ファイバ２０２の他端が接続されたファイバフェルール２０３と、このファイバフェルール２０３を支持するフェルールカラー２０４と、このフェルールカラー２０４が１つの側面２０５ａに配設された金属フレーム２０５とを備えている。この金属フレーム２０５は側面２０５ａに対向する側面が開口した筐体からなり、その側面には蓋部材２０６が封着されている。また、側面２０５ａには、ファイバフェルール２０３の他端と対向する位置に開口部２０５ｂが形成され、この開口部２０５ｂは、テラヘルツの周波数で変調された光を透過可能な材料からなる窓部材２０７により金属フレーム２０５の内部から塞がれている。また、金属フレーム２０５の内部底面には、サブマウント２０８が設けられており、このサブマウント２０８上には、球面の縁部が保持されることにより窓部材２０７と対向配置された集光レンズ２０９と、この集光レンズ２０９と対向配置されアンテナが共に集積された受光素子２１０と、この受光素子２１０が平面に取り付けられた半球レンズ２１１とが配設されている。蓋部材２０６の半球レンズ２１１と対向する位置には、金属フレーム２０６内外を連通する開口部２０６ａが形成されており、この開口部２０６ａから半球レンズ２１１が外部に露出されている。
このようなフォトミキサモジュール２００において、テラヘルツ波は、受光素子２１０とともに集積されたアンテナから放射され、半球レンズ２１１により平行光とされて開口部２０６ａから金属フレーム２０６外部に出力される。
【０００６】
このようなフォトミキサは、用途や使用形態から様々な環境下で用いられることが想定される。このため、受光素子は必ずしも安定した雰囲気中で作動するとは限らない。しかし、一般に、受光素子を構成する半導体デバイスは、外部環境に大きく影響を受け、その外部環境の雰囲気によっては動作中に劣化していくことが知られている。したがって、外部環境に影響されず、長期間に亘って受光素子を安定して動作させるには、テラヘルツ波を外部空間に放射できるとともに、パッケージ内部を不活性ガスなどによって気密封止して、受光素子を安定した雰囲気に置いておくことが求められる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Hiroshi Ito, Tomofumi Furuta, Fumito Nakajima, Kaoru Yoshida, and Tadao Ishibashi、Photonic Generation of Continuous THz Wave Using Uni-Traveling-Carrier Photodiode、JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.23, NO.12, P.4016-4021, DECEMBER 2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したテラヘルツ波発生器として機能するフォトミキサはいずれも、受光素子を収容する金属フレーム内部を気密封止することが困難であるので、外部環境によらずに安定して動作させることが困難であった。
【０００９】
例えば、図２に示した導波管を用いたフォトミキサモジュールは、導波管１１４により金属フレーム１０６内外が連通されているので、その金属フレーム１０６内部を気密封止することができなかった。また、その導波管１１４内部にテラヘルツ波を透過する材料からなる封止板を設けることにより、金属フレーム１０６内部を気密封止することも可能ではあるが、金属フレーム１０６内部の封止ガスと封止板との誘電率が異なることから、封止ガスと封止板および封止板と外部の空気との境界でテラヘルツ波の反射が生じ、出力特性が悪化したり、受光素子の動作が不安定になったりすることがあった。
【００１０】
また、図３に示したアンテナを用いたフォトミキサモジュールも、半球レンズ２１１を外部に露出させるための開口部２０６ａにより金属フレーム２０６の内外が連通されているので、その金属フレーム２０６内部を気密封止することができなかった。
【００１１】
そこで、本願発明は、外部環境に関わらずに安定して動作させることができるテラヘルツ波発生器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】
【００１２】
上述したような課題を解決するために、本発明に係るテラヘルツ波発生器は、第１の開口を有する筐体と、テラヘルツ波を出力する素子と、テラヘルツ波が透過する第１のレンズと、この第１のレンズを保持して第１の開口の近傍に配設する保持部材とを備えたテラヘルツ波発生器であって、保持部材は、孔を有し、この孔は、レンズにより封止され、第１の開口は、保持部材およびレンズにより封止され、素子は、筐体、保持部材およびレンズにより構成される密閉空間内に配設されることを特徴とするものである。
【００１３】
上記テラヘルツ波発生器において、筐体に設けられた第２の開口と、第２の開口を封止するとともに光信号を透過させる窓部材と、この窓部材を介して素子に光信号を入力する入力手段とをさらに備えるようにしてもよい。この入力手段は、光コネクタ、光ファイバおよびファイバフェルール等から構成される。
【００１４】
また、上記テラヘルツ波発生器において、入力手段と窓部材との間に設けられ、光信号を平行光とする第２のレンズと、窓部材と素子との間に設けられ、光信号を収束して素子に入力させる第３のレンズとをさらに備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、素子が筐体、保持部材およびレンズにより構成される密閉空間内に配設されるので、受光素子を外部環境の影響を受けて劣化するのを防ぐことができ、結果として、外部環境によらずに安定して動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るテラヘルツ波発生器の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、導波管を用いたフォトミキサモジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、アンテナを用いたフォトミキサモジュールの構成を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
［テラヘルツ波発生器の構成］
本実施の形態に係るテラヘルツ波発生器は、アンテナを用いたフォトミキサモジュールから構成される。このようなテラヘルツ波発生器１は、図１に示すように、テラヘルツ周波数で変調された光が入力される光コネクタ２と、この光コネクタ２に一端が接続された光ファイバ３と、一端に光ファイバ３の他端が接続されたファイバフェルール４と、このファイバフェルール４を支持するフェルールカラー５と、ファイバフェルール４の他端と対向配置されたコリメーションレンズ６と、このコリメーションレンズ６が側壁７１に配設された金属フレーム７とを備えている。この金属フレーム７内部には、側壁７１に形成された開口部７１ａを覆う窓部材８と、金属フレーム７の底壁内面に設けられたサブマウント９とが設けられている。また、このサブマウント９上には、窓部材８と対向配置された集光レンズ１０と、この集光レンズ１０と対向配置された半球レンズ１１と、この半球レンズ１１の平面に設けられた受光素子チップ１２とが設けられている。
【００１９】
ここで、金属フレーム７は、上面が開口した金属の筐体７ａと、この筐体７ａの上面を覆う金属の板状の蓋部材７ｂとから構成される。
筐体７ａの側壁７１には、上述したように開口部７１ａが設けられている。また、その側壁７１に対向配置された側壁７２にも開口部７２ａが設けられており、この開口部７２ａと開口部７１ａとは同一直線上に位置している。
【００２０】
窓部材８は、板状の部材からなり、テラヘルツの周波数で変調された光が透過可能な材料から構成される。このような窓部材８は、開口部７１ａを覆うように、筐体７ａの側面７１に接着される。
【００２１】
サブマウント９は、保持部材として機能し、上面が開口するとともに、１つの側壁９ａが底壁９ｂを越えて延在する断面略ｈ字状の金属の筐体からなる。ここで、この底壁９ｂには、開口部９１が設けられている。このようなサブマウント９は、側壁９ａの外面が金属フレーム７における筐体７ａの底壁７３上に配設されるとともに、上面が金属フレーム７における筐体７ａの側壁７２内面における開口部７２ａの周囲に接着される。
【００２２】
集光レンズ１０は、公知の凸レンズから構成され、サブマウント９の側壁９ａ内面上に配設される。これにより、集光レンズ１０は、窓部材８および開口部９１と対向配置される。
【００２３】
半球レンズ１１は、公知の半球レンズから構成され、少なくともその平面の周囲がサブマウント９の底壁９ｂ内面における開口部９１の周囲に接着されている。
【００２４】
受光素子チップ１２は、テラヘルツの周波数で変調された光を受信するとともに、この受信した光を電気信号に変換する電子回路と、その電気信号をテラヘルツ波に変換するアンテナとともに集積した半導体チップから構成される。このような受光素子チップ１２は、半球レンズ１１の開口部９１から露出する平面に配設される。
【００２５】
このようなテラヘルツ波発生器１において、コリメーションレンズ６、金属フレーム７の開口部７１ａ、窓部材８、集光レンズ１０、サブマウント９の開口部９１、受光素子チップ１２、半球レンズ１１、金属フレーム７の開口部７２ａは、ファイバフェルール４の光軸上に配設される。
【００２６】
［テラヘルツ波発生器の製造方法］
次に、本実施の形態に係るテラヘルツ波発生器１の製造方法について説明する。
【００２７】
まず、半球レンズ１１と受光素子チップ１２とを用意し、半球レンズ１１の平面に受光素子チップ１２を配設する。このとき、受光素子チップ１２は、その中心と半球レンズ１１の中心とを同一直線上に位置させた状態で、半球レンズ１１上に固定される。
【００２８】
次に、サブマウント９を用意し、開口部９１内に受光素子チップ１２が配設される状態とした上で、底壁９ｂに半球レンズ１１を固定する。このとき、半球レンズ１１は、その平面の周囲が底壁９ｂ内面における開口部９１の周囲に密着した状態で固定される。この固定は、例えば、ガラス材料を溶融したり、樹脂で接着したり、ハンダで接着したりすることにより行われる。これにより、開口部９１は、半球レンズ１１の平面により塞がれることとなる。なお、半球レンズ１１をサブマウント９に固定する方法はこれに限定されず、開口部９１が半球レンズ１１の平面または球面によってサブマウント９の上面側の空間と隔離されるのであれば、サブマウント９と半球レンズ１１との各所を適宜自由に固定することができる。例えば、半球レンズ１１の平面に隣接する球面を、サブマウント９の側壁に固定したり、その球面を平面とともに底壁９ｂ内面に固定したりするようにしてもよい。
【００２９】
次に、集光レンズ１０を用意し、サブマウント９の側壁９ａ内面上に固定する。このとき、集光レンズ１０は、その中心と、半球レンズ１１の中心および受光素子チップ１２の中心とを同一直線上に位置させた状態で、サブマウント９に固定される。
【００３０】
次に、開口部７１ａに窓部材８が固定された金属フレーム７を用意し、この内部にサブマウント９を固定する。ここで、サブマウント９は、側壁９ａの外面を筐体７ａの底壁７３上に固定されるとともに、上面を筐体７ａの側壁７２内面における開口部７２ａの周囲に固定される。それらの固定は、例えば、ガラス材料を溶融したり、樹脂で接着したり、ハンダで接着したりすることにより行われる。これにより、金属フレーム７の開口部７２ａからは、半球レンズ１１の球面が露出することとなる。また、その開口部７２ａは、サブマウント９の内面および半球レンズ１１により塞がれて、筐体７ａ内部の側壁７１側の空間と隔離された状態となる。
【００３１】
ここで、本実施の形態において、半球レンズ１１は、金属フレーム７に直接固定されるのではなく、サブマウント９に固定された後、このサブマウント９を介して金属フレーム７に固定される。これは、上述したように半球レンズ１１の固定が、ガラス材料を溶融したり、樹脂で接着したり、ハンダで接着したりするなど高温環境下で行われるとともに、金属フレーム１１の筐体が一般に薄板で形成されることに起因する。すなわち、直接金属フレーム７に固定すると、常温になったときに半球レンズ１１と金属フレーム７との間で反りや剥がれが生じてしまい、所望する位置に固定することが困難だからである。そこで、サブマウント９における半球レンズ１１との接着箇所には、肉厚の部材を配置することが望ましい。これにより、半球レンズ１１の固定を高温環境下で行った場合であっても、常温になったときに半球レンズ１１と金属フレーム７との間で反りや剥がれが生じるのを防ぐことができる。
【００３２】
次に、蓋部材７ｂを用意し、この蓋部材７ｂで筐体７ａの上面を覆った上で、蓋部材７ｂの外周部を筐体７ａ上面の外周部に溶接等により固定する。上述したように、筐体７ａの開口部７１ａは窓部材８により塞がれており、筐体７ａの開口部７２ａはサブマウント９の内面および半球レンズ１１により塞がれている。したがって、筐体７ａの上面に蓋部材７ｂを封着することにより、筐体７ａの内部が気密封止されることとなる。このとき、半球レンズ１１は、球面が開口部７２ａから筐体７ａ外部に露出しているものの、平面のうちサブマウント９との接着部以外は筐体７ａ内部に露出している。したがって、その半球レンズ１１の平面に設けられた受光素子チップ１２は、金属フレーム７、窓部材８、サブマウント９および半球レンズ１１により構成される密閉空間内に配設されて、金属フレーム７外部と隔離されることとなる。これにより、受光素子チップ１２は、金属フレーム７の外部環境の影響を受けない。
【００３３】
次に、コリメーションレンズ６を用意し、筐体７ａの側壁７１にコリメーションレンズ６を固定する。このとき、コリメーションレンズ６は、その中心が、集光レンズ１０、半球レンズ１１および受光素子チップ１２の中心と同一直線上に位置するように、固定される。
【００３４】
次に、ファイバフェルール４およびフェルールカラー５を用意し、このフェルールカラー５により、ファイバフェルール４をコリメーションレンズ６と対向配置させる。そして、一端が光コネクタ２に接続された光ファイバ３を用意し、この光ファイバ３の他端をファイバフェルール４と接続する。これにより、テラヘルツ波発生器１が完成する。
【００３５】
［テラヘルツ波発生器の動作］
次に、本実施の形態に係るテラヘルツ波発生器１の動作について説明する。
【００３６】
まず、テラヘルツの周波数に変調された信号光は、光コネクタ２から光ファイバ３およびファイバフェルール４を介してコリメーションレンズ６に到達し、このコリメーションレンズ６により平行光とされた後、金属フレーム７の開口部７１ａおよびこの開口部７１ａを塞ぐ窓部材８を通過して集光レンズ１０に到達し、この集光レンズ１０により収束されて受光素子チップ１２に照射される。この受光素子チップ１２は、受光した信号光を電気信号に変換するとともに、集積されたアンテナによりその電気信号をテラヘルツ波に変換して半球レンズ１１に向けて放射する。すると、この放射されたテラヘルツ波は、半球レンズ１１により平行光とされた上で、外部に出力されることとなる。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、受光素子チップ１２が金属フレーム７、サブマウント９および半球レンズ１１により構成される密閉空間内に配設されるので、受光素子チップ１２を外部環境の影響を受けて劣化するのを防ぐことができ、結果として、外部環境によらずに安定して動作させることができる。
【００３８】
また、本実施の形態では、アンテナを用いた場合においても集光レンズ１０とともにコリメーションレンズ６を設けているので、光ファイバ３、集光レンズ１０、受光素子チップ１２等の位置決めをより容易に行うことができる。
【００３９】
なお、本実施の形態では、半球レンズ１１を金属フレーム７内部に配設されるサブマウント９により保持する場合を例に説明したが、半球レンズ１１の球面が金属フレーム７外部に露出するとともに受光素子チップ１２が金属フレーム７内部の密閉空間内に配設されるのであれば、半球レンズ１１を保持する方法はこれに限定されず、適宜自由に設定することができる。例えば、開口を有する板部材を用意し、その開口を半球レンズ１１の平面により封止するとともに、その板部材と半球レンズ１１により金属フレーム７の開口部７２ａを封止するようにしてもよい。この場合、受光素子チップ１２は、板部材の開口内部に配設される。また、上面が開口するとともに底壁に開口を有する筐体を用意し、その開口を半球レンズ１１の平面により底壁外部から封止するとともに、開口部７２ａをその筐体の上面によって金属フレーム７の外部から封止するようにしてもよい。このようにしても、上述した本実施の形態の場合と同等の作用効果を実現することができる。
【００４０】
また、本実施の形態では、テラヘルツ波を出力するフォトミキサモジュールに適用した場合を例に説明したが、受光素子を用いた封止型のフォトミキサモジュールであるならば、出力する信号に限定されず、適宜自由に適用することができる。例えば、テラヘルツ波よりも低い周波数のミリ波を出力するフォトミキサモジュールに適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、アンテナを備えたテラヘルツ波発生器に適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…テラヘルツ波発生器、２…光コネクタ、３…光ファイバ、４…ファイバフェルール、５…フェルールカラー、６…コリメーションレンズ、７…金属フレーム、７ａ…筐体、７ｂ…蓋部材、８…窓部材、９…サブマウント、９ａ…側壁、９ｂ…底壁、１０…集光レンズ、１１…半球レンズ、１２…受光素子チップ、７１，７２…側壁、７１ａ，７２ａ…開口部、９１…開口部。
【図１】
0005662258.tif 000002
【図２】
0005662258.tif 000003
【図３】
0005662258.tif 000004