(57)【要約】【課題】光波−電波ヘテロダイン方式によるテラヘルツ波発生装置及びその方法を提供する。【解決手段】光ファイバを通じて伝達される光波を注入する光ファイバ探針と、電波を発生させて注入する駆動発振器と、注入される光波及び電波を利用してテラヘルツ波を発生させる測定素子と、を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。【選択図】図１
2008146008.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバを通じて伝達される光波を注入する光ファイバ探針と、
電波を発生させて注入する駆動発振器と、
前記注入される光波及び電波を利用してテラヘルツ波を発生させる測定素子と、を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記光ファイバ探針は、
無損失の光導波路と、
テーパされた光ファイバと、
光ファイバ探針端と、を備え、
前記光導波路が前記光ファイバに連結されることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項３】
前記光ファイバ探針端は、直径が前記光波の波長より短いことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記光ファイバ探針の光波注入方向は、前記電波の注入方向と交差することを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
前記電波は、ミリメートル波またはサブＴＨｚ波であることを特徴とする請求項１または４に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項６】
前記測定素子で発生した信号を高周波信号と低周波信号とに分離する信号分離部と、
前記高周波信号を利用して、前記テラヘルツ波が発生したことを検出する検出手段と、
前記低周波信号を利用して、前記光ファイバ探針と前記測定素子との距離を調整する制御手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項７】
前記検出手段は、
前記高周波信号を中間周波数信号に変換する変換手段と、
前記中間周波数信号に対する応答を出力するスペクトル分析器と、を備えることを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
前記制御手段は、
前記低周波信号から光電流を出力する精密パラメータ分析器と、
前記光電流を増幅する増幅器と、
前記増幅器の出力によって所定の制御値を出力する制御部と、
前記制御値によって前記光ファイバ探針の位置を制御して、前記測定素子との距離を調整するアクチュエータと、を備えることを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項９】
光波が注入される探針と測定素子との距離を制御するための基準点を指定するステップと、
前記基準点に光ファイバ探針を位置させ、第１方向に前記光ファイバ探針に光波を注入して前記測定素子をスキャンしつつ、前記測定素子に第２方向に電波を注入してテラヘルツ波を発生させるステップと、を含むことを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
【請求項１０】
前記測定素子で発生した信号を高周波信号と低周波信号とに分離するステップと、
前記高周波信号を利用して前記テラヘルツ波が発生したか否かを判断するステップと、
前記低周波信号を利用して前記光ファイバ探針の位置を調整して、前記測定素子との距離を調整するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ波発生方法。
【請求項１１】
前記電波は、ミリメートル波またはサブＴＨｚ波であることを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ波発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）波発生装置及びその方法に係り、特に光波−電波ヘテロダイン方式によりＴＨｚ波を発生させる装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＨｚ波を発生させる方法としては、光ファイバ探針（ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ Ｐｐｒｏｂｅ）と対物レンズとを利用した光混合方法がある。前述した光混合方法では、光学レンズまたはシングルモード光ファイバを利用して高速及び高周波の半導体素子にレーザビームを走査した後、マイクロ波及びＴＨｚ波（ミリメートル波）を発生及び検出する。しかし、レーザビームの直径が電子素子に比べてはるかに長く、光ファイバ探針の素子接近性及びスキャン能力の不備により検出された信号の安定性が悪く、ノイズ指数が高いという問題点がある。
【０００３】
ＴＨｚ波を発生させる他の方法としては、２−光波ヘテロダイン方法がある。２−光波ヘテロダイン方法では、二つのレーザから出力されたビームω１，ω２を、光結合器を利用して近接場光ファイバ探針の内部に注入し、０．１μｍ以下の直径を有する探針端から出力された光波ωｂ（＝ω１〜ω２）と高速及び高周波素子との相互作用を通じて、二つの周波数差に該当するミリメートル波（ωｂ／２π）を発生及び検出することによって、混合光の解像度とノイズ指数とを改善した。
【０００４】
かかるＴＨｚを発生させる従来技術としては、非特許文献１及び２がある。
【０００５】
しかし、最近、ＴＨｚ帯域用として位置を占めている超高速及び高周波素子であるＩｎＰ基盤の異種接合バイポラトランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＢＴ）を使用して１ＴＨｚ以下の領域で高周波特性を測定するとき、設計した場合と実際に測定した場合とで相当な差を表した。したがって、２−光波ヘテロダイン方法では、０．１ＴＨｚないし１０ＴＨｚの領域で超高速及び高周波素子の特性の評価に問題があるということが分かる。
【０００６】
【非特許文献１】B. Bhattacharya et al.  "The Optical Response of Epitaxial Lift-OffHEMT's to 140 GHz", IEEE Journal of quantum electronics, vol 33. No.9, pp. 1507-15016, Sep. 1997
【非特許文献２】M. E. Ali et al. "Characterization of Ultrafast Devices  Using Near-Field Optical Heterodyning", IEEE Microwave and wireless  components letters, vol. 12, No. 10, pp. 369-37, Oct. 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、近接場光ファイバ探針を採用した光波−電波ヘテロダイン方式を採択して、ＴＨｚ領域で広帯域可変性、優れた周波数安定性及び良好な電波品質を有するＴＨｚ波を発生させる装置及びその方法を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための本発明のＴＨｚ波発生装置は、光ファイバを通じて伝達される光波を注入する光ファイバ探針と、電波を発生させて注入する駆動発振器と、前記注入される光波及び電波を利用してＴＨｚ波を発生させる測定素子（Ｄｅｖｉｃｅ  Ｕｎｄｅｒ  Ｔｅｓｔ：ＤＵＴ）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
前記課題を解決するための本発明のＴＨｚ波発生方法は、光波が注入される光ファイバ探針とＤＵＴとの距離を制御するための基準点を指定するステップと、前記基準点に光ファイバ探針を位置させ、第１方向に前記光ファイバ探針に光波を注入して前記ＤＵＴをスキャンしつつ、前記ＤＵＴに第２方向に電波を注入してＴＨｚ波を発生させるステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光波−電波ヘテロダイン方式でＴＨｚ波を発生させることによって、広帯域可変性、優秀な周波数安定性、高解像度及び低ノイズ指数を有する良好な電波品質を有するＴＨｚ波が得られる。
【００１１】
また、ナノ級アクチュエータを利用して近接場光ファイバ探針を精密制御することによって、既存の位置制御用の光学顕微鏡を備える必要がない。
【００１２】
また、超高速、高周波電子素子を活用してＴＨｚ領域（０．１ＴＨｚないし１０ＴＨｚ）への接近を容易にし、ＴＨｚ波の発生及び／または検出装置を小型化するだけでなく、高周波電波資源の開発研究も可能にし、多様な素材基盤のＴＨｚ波電子素子の開発も拡大できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付された図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明による光波−電波ヘテロダイン方式によるＴＨｚ波発生装置についての概略的な構成図である。
【００１５】
図１に示したＴＨｚ波発生装置は、第１及び第２レーザ光源１，２、光結合器３、光ファイバ４、光ファイバ探針５、広帯域プローブ６及び駆動発振器７を備える。
【００１６】
図１で、参照番号８は、ＤＵＴを示す。
【００１７】
また、図１には、ＴＨｚ波検出装置が示されている。図１に示したＴＨｚ波検出装置は、２００ＧＨｚのＧ帯域用プローブ１１、信号分離部１２としてバイアスティー（Ｂｉａｓ Ｔｅｅ）、局部発振器１０、ミキサー１３及びスペクトル分析器１４を備え、ＴＨｚ波発生装置により発生したＴＨｚ波を検出する。
【００１８】
また、所望の帯域のＴＨｚ波を得るためのフィードバック制御のために、検出結果によって光ファイバ探針５とＤＵＴ  ８との距離を調整するように、精密パラメータ分析器１５、増幅器１６として微少信号（ｌｏｃｋ−ｉｎ）増幅器、制御部１７及びアクチュエータ１８として精密アクチュエータをさらに備えうる。
【００１９】
第１及び第２レーザ光源１，２は、ＴＨｚ波の発生に必要な異なる周波数ω１，ω２の光を発生させ、光結合器３は、発生した二つの光を一つに結合して周波数ωｂ＝ω１−ω２である光を出力する。光結合器３は、２×２結合器であることが望ましい。光結合器３の一側出力は、光ファイバ４を通じて光ファイバ探針５に連結される。光結合器３の他側出力は、光スペクトル分析器（図示せず）などに連結されて、光波の周波数あるいは出力などがモニタリングされうる。
【００２０】
光ファイバ４は、低損失の光ファイバであることが望ましく、光ファイバ探針５は、光ファイバ４の端部に設けられる近接場光ファイバ探針であることが望ましい。
【００２１】
光ファイバ探針５の端部は、口径がサブミクロンであるため、ＤＵＴ  ８の表面に接近する光波の直径もミクロン以下となり、最小分解能は２０ｎｍほどである。光ファイバ探針５の端部とＤＵＴ  ８との距離は、０．１μｍが望ましい。
【００２２】
広帯域可変性、優れた周波数安定性及び良好な電波品質、すなわち高解像度及び低ノイズ指数を有するＴＨｚ波を得るために、ＤＵＴ  ８には、光波以外にも駆動発振器７により発生するサブＴＨｚ波、すなわちミリメートル波が注入される。参照番号６は、駆動発振器７で発生したミリメートル波をＤＵＴ  ８に注入するための１００ＧＨｚのＷ帯域用プローブである。ＤＵＴ  ８に走査された光波及びミリメートル波の混合（ヘテロダイン）方式により、ＴＨｚ波またはサブＴＨｚ波が発生する。
【００２３】
図２は、図１のＤＵＴ  ８についての構造を示す図面である。図２に示したＤＵＴ８は、ＩｎＰ基板２１上に製作されたＨＢＴであり、精巧な出力を得るために二重ゲート方式を採用することが望ましい。
【００２４】
光ファイバ探針５を通じて周波数ωｂの光波が注入され、光ファイバ探針は、ＨＢＴの特定点に位置するか、または矢印方向２５あるいはその逆方向にソース２２、ゲート２３及びドレイン２４をスキャンする。
【００２５】
駆動発振器７で発生したミリメートル波は、Ｗ帯域用プローブ６を通じて矢印方向２６に注入される。Ｗ帯域用プローブ６は、数ミクロンのサイズの接触電極と、約５μｍの直径を有する微細電極を持つ高周波用のコプレーナ型プローブである。
【００２６】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明及び従来技術による光ファイバ探針構造をそれぞれ示す図面である。図３Ａの本発明による光ファイバ探針構造は、光導波路３１、テーパされた光ファイバ３２、及び光ファイバ探針端３３に分けられる。光導波路３１までは、光波が損失なしに伝送されることが望ましい。光ファイバ探針端３３は、その直径が光波の波長よりはるかに短い。光波が通過する光ファイバ探針端３３の直径は０．１μｍであるので、ＨＢＴに入射する光波ビームの直径も０．１μｍ以下となる。図３Ｂに示した従来の光ファイバ探針３４は、その内径が１０ないし２０μｍほどであるので、光波ビームの直径がＤＵＴに比べてはるかに長く、光ファイバ探針自体の素子接近性及びスキャン性が不足であるので、これによって検出された信号の安定性が低く、ノイズ指数が高くなる。
【００２７】
かかる光ファイバ探針は、従来には、超小型電子素子のイメージ及び分光学研究でのみ使用したが、本発明による近接場光ファイバ探針は、直径が０．０５ないし０．１μｍであるので、超高速及び高周波素子の回路パターン確認だけでなく、光混合実験を通じた超高周波の発生及び検出も可能になるので、ＴＨｚ波フォトニックス分野の核心部品、例えば高解像度の超小型スイッチなどに開発されうる。
【００２８】
このように光波−電波ヘテロダイン方式で発生したＴＨｚ波は、Ｇ帯域用プローブ１１を通じて検出されうる。Ｇ帯域用プローブ１１は、２００ＧＨｚ帯域の信号をタッピングできる。  
信号分離部１２は、Ｇ帯域用プローブ１１によりタッピングされたＴＨｚ波をＲＦ信号と低周波信号とに分離し、バイアスティーを採用することが適切である。
【００２９】
分離されたＲＦ信号は、ミキサー１３で局部発振器１０の出力信号と混合されて中間周波数（ＩＦ）信号に変換される。スペクトル分析器１４は、ＩＦ信号の周波数特性を分析する。
【００３０】
図４は、スペクトル分析器１４に表されるＴＨｚ波の光応答特性を示す図面であって、Ｇ帯域用プローブ１１を通じて出力される１８０ＧＨｚのＴＨｚ波をＩＦ周波数に下向き変換して光応答を得たものである。図４に示すように、参照番号４１でＴＨｚ波が検出されたということが分かる。
【００３１】
分離された低周波信号から精密パラメータ分析器１５を通じて、光電流が測定される。このとき、精密パラメータ分析器で測定される光電流値は、光ファイバ探針端３３とＤＵＴ  ８との距離を反映する。光ファイバ探針端３３とＤＵＴ  ８との距離調整は、剪断応力フィードバック原理により０．１μｍほどに制御が可能である。
【００３２】
精密パラメータ分析器１５を通じて測定された光電流ｉｔｏｔ（ｔ）は、次の式のように表す。
【００３３】
【数１】
2008146008.tif 000003
【００３４】
ここで、Ａ，Ｂは、それぞれ定数であり、ωｂ，ωｇは、それぞれＤＵＴ  ８に入射する光波及びＧ帯域用プローブ１１を通じて出力されるＴＨｚ波の周波数を表す。
【００３５】
数式１によれば、全体光電流の変換により上向き変換された周波数と下向き変換された周波数とが発生するということが分かる。
【００３６】
増幅器１６は、精密パラメータ分析器１５を通じて測定された値を増幅し、望ましくは、低ノイズロック増幅器が適切である。
【００３７】
制御部１７は、まず、光ファイバ探針５、さらに正確には、光ファイバ探針端３３とＤＵＴ  ８との距離制御のための基準点を設定する。次いで、アクチュエータ１８を駆動して光ファイバ探針５を基準点に位置させる。ＤＵＴ  ８からＴＨｚ波が発生すれば、制御部１７は、増幅器１６から出力された値を参照してアクチュエータ１８を駆動することによって、光ファイバ探針５とＤＵＴ  ８との距離を制御する。ここで、アクチュエータ１８は、小型振動子が含まれたナノ級精密アクチュエータであることが望ましい。
【００３８】
図５は、本発明により発生したＴＨｚ波の光応答特性の性能を示す図面であって、１６０ＧＨｚから１９０ＧＨｚまでの周波数に対するパワーを示したものである。図５に示したように、〜３０ＧＨｚほどの広帯域で−５５ｄＢｍ付近でほぼ平坦であるということが分かる。したがって、広帯域可逆性を確保し、周波数安定性にも優れるということが分かる。
【００３９】
以上のように、図面と明細書で最適の実施形態が開示された。ここで、特定の用語が使われたが、これは単に、本発明を説明するための目的で使われたものであり、意味限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するために使われたものではない。したがって、当業者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、超高速、高周波電子素子を利用してＴＨｚ波を発生させる装置に使用でき、高周波電波資源の開発の技術分野に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による光波−電波ヘテロダイン方式によるＴＨｚ波発生装置についての概略的な構成図である。
【図２】図１のＤＵＴについての構造を示す図面である。
【図３Ａ】本発明による光ファイバ探針構造を示す図面である。
【図３Ｂ】従来技術による光ファイバ探針構造を示す図面である。
【図４】スペクトル分析器に表されるＴＨｚ波の光応答特性を示す図面である。
【図５】本発明により発生したＴＨｚ波の光応答特性の性能を示す図面である。
【符号の説明】
【００４２】
１    第１レーザ光源
２    第２レーザ光源
３    光結合器
４    光ファイバ
５    光ファイバ探針
６    広帯域プローブ
７    駆動発振器
８    ＤＵＴ
１０    局部発振器
１１    Ｇ帯域用プローブ
１２    信号分離部
１３    ミキサー
１４    スペクトル分析器
１５    精密パラメータ分析器
１６    増幅器
１７    制御部
１８    アクチュエータ
２１    ＩｎＰ基板
２２    ソース
２３    ゲート
２４    ドレイン
３１    光導波路
３２    光ファイバ
３３    光ファイバ探針端
３４    光ファイバ探針 
【図１】
2008146008.tif 000004
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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