(57)【要約】【課題】電流・電圧変換器の回路構成をテラヘルツパルス光検出器の特性に合わせることによりテラヘルツ光検出器の機能を十分引き出す【解決手段】テラヘルツパルス光検出器６（光スイッチ素子３０）で検出されテラヘルツパルス光の振幅に比例した電流信号ＳＩを電圧信号ＳＶに変換する電流・電圧変換器１３の回路構成を、光スイッチ素子３０の特性に合わせて対称とすることにより、光スイッチ素子３０の特性を十分に引き出し、電流信号ＳＩのＳ／Ｎを改善し、結果としてテラヘルツパルス光計測装置における計測結果の精度を向上させる。【選択図】  図１
2004163283.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツパルス光が照射された被測定試料からの透過パルス光若しくは反射パルス光を受けて電流信号を出力するテラヘルツパルス光検出器と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流・電圧変換器とを有し、
前記電流・電圧変換器の回路構成が、前記テラヘルツ光検出器に対して対称に配置されていることを特徴とするテラヘルツ受信回路を有するテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項２】
前記電流・電圧変換器が、
前記電流信号を前記電圧信号に変換する電流・電圧変換回路と、
前記電圧信号の増幅やインピーダンス変換をして出力する増幅回路とを有して構成されることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ受信回路を有するテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項３】
前記増幅回路が差動増幅回路及びバッファ増幅回路で構成されることを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ受信回路を有するテラヘルツパルス光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチ素子に数１０フェムト秒の近赤外領域レーザーパルス光を照射して発生するテラヘルツパルス光が照射された被測定試料からの透過パルス光若しくは反射パルス光を受信して得られた電流信号を電圧信号に変換して出力するテラヘルツ受信回路を有するテラヘルツパルス光計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
テラヘルツパルス光の応用の一つとしてテラヘルツパルス光計測装置が提案されている。この装置では、テラヘルツパルス光を半導体や誘電体等の各種被測定試料に照射して、被測定試料を透過させるか若しくは被測定試料で反射させた後、そのパルス光の電場強度の時間変化を検出し、フーリエ変換により各波長の電場強度と位相情報を得る。これにより従来の装置では得られない若しくは得ることが難しかった各種被測定試料の物性データを非破壊で得ることが可能となっている。
【０００３】
テラヘルツパルス光の放射や、被測定試料を透過若しくは被測定試料で反射したテラヘルツパルス光の検出には、光スイッチ素子と呼ばれる半導体デバイスを使用している。光スイッチ素子にバイアス電圧を印加した状態で数１０フェムト秒のパルス幅を有する近赤外領域波長のレーザーパルス光（「ポンプパルス光」と呼ばれる）を照射すると、このポンプパルス光に励起されてテラヘルツパルス光が放射される。また、テラヘルツパルス光の検出には、光スイッチ素子が上述のレーザーパルス光（「プローブパルス光」と呼ばれる）で励起されたときにテラヘルツパルス光が入射するとこのテラヘルツパルス光の振幅に比例した電流が流れる性質を利用しており、テラヘルツパルス光の測定は、この電流を電圧に変換して測定している。
【０００４】
このテラヘルツパルス光検出器から出力される電流信号は微弱信号であるため、メカニカルチョッパーでポンプパルス光の変調を行い、電流信号を電圧信号に変換した後にこのメカニカルチョッパーの周波数を基準信号として利用してロックインアンプにてロックイン増幅を行ってテラヘルツパルス光の電場強度の時間変化を測定していた。
【０００５】
テラヘルツパルス光検出器（具体的には、このテラヘルツパルス光検出器に配設されてテラヘルツパルス光の検出を行う光スイッチ素子）から出力される電流信号は、パルス幅が狭く（０．１［ｎｓ］程度）、且つ、パルス間隔が広い（２０［ｎｓ］程度）形状であるインパルス的な高周波であることや、光スイッチ素子はインピーダンスが高いことからノイズの影響や減衰による信号の劣化を起こしやすいという問題がある。このため、電流・電圧変換器で電流信号のＳ／Ｎを改善する目的で、電流信号を電圧信号に変換するとともに信号の増幅も合わせて行っている（例えば、非特許文献１及び２参照。）。
【０００６】
【非特許文献１】
阪井清美、谷正彦，「解説−テラヘルツ光エレクトロニクス−」，応用物理，社団法人応用物理学会，平成１３年，第７０巻，第２号，ｐ．１４９−１５５
【非特許文献２】
阪井清美，「総説−テラヘルツ時間領域分光法−」，分光研究，社団法人日本分光学会，平成１３年，第５０巻，第６号，ｐ．２６１−２７３
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この電流・電圧変換器での信号の増幅には、従来光スイッチ素子に対して非対称となる回路構成が利用されているが、この回路構成では光スイッチ素子の性能を十分に引き出すことができない場合があり、光スイッチ素子から出力される電流信号のＳ／Ｎが悪化し、テラヘルツパルス光計測装置における計測結果の精度を向上させることが難しいという問題があった。
【０００８】
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、テラヘルツ受信回路においてテラヘルツパルス光検出器（光スイッチ素子）から出力される電流信号のＳ／Ｎを改善することにより、テラヘルツパルス光計測装置における計測結果の精度を向上させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明に係るテラヘルツ受信回路を有するテラヘルツパルス光計測装置は、テラヘルツパルス光が照射された被測定試料からの透過パルス光若しくは反射パルス光を受けて電流信号を出力するテラヘルツパルス光検出器と、電流信号を電圧信号に変換する電流・電圧変換器とを有して構成され、テラヘルツ受信回路を構成する電流・電圧変換器の回路構成が、テラヘルツ光検出器に対して対称に配置される。すなわち、光スイッチ素子の特性に応じて対称な回路構成とすることにより、テラヘルツパルス光検出器（光スイッチ素子）の機能を十分に引き出し、電圧信号への変換に電流信号を有効に利用してＳ／Ｎを改善し、テラヘルツパルス光計測装置における計測結果の精度を向上させることができる。
【００１０】
なお、この電流・電圧変換器は、電流信号を電圧信号に変換する電流・電圧変換回路（例えば、実施形態における抵抗３１，３２で構成される回路）と、この電圧信号の増幅やインピーダンス変換をして出力する増幅回路（例えば、実施形態におけるトランジスター３４，３５、４２等で構成される回路）とを有して構成されることが好ましい。
【００１１】
さらに、電流・電圧変換器を構成する増幅回路が差動増幅回路（例えば、実施形態におけるトランジスター３４，３５等で構成される回路）及びバッファ増幅回路（例えば、実施形態におけるトランジスター４２等で構成される回路）で構成されることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、本発明に係るテラヘルツ受信回路を有するテラヘルツパルス光計測装置について図２を用いて説明する。テラヘルツパルス光計測装置は、テラヘルツパルス光を被測定試料に照射し、被測定試料で反射させた後のテラヘルツパルス光の電場強度の時間変化を検出し、フーリエ変換により各波長の電場強度と位相情報を得るものである。テラヘルツパルス光は空気中の水蒸気等に吸収される性質を有しているため、テラヘルツパルス光の光路及びその光路上に配設される機器は、被測定試料２に照射する部分を除いて真空チャンバー１に格納されている。テラヘルツパルス光計測装置は、この真空チャンバー１に加えて、ハーフミラー７（７ａ，７ｂ）、ミラー８（８ａ〜８ｄ）、時間遅延装置９、レーザー光源１０、バイアス電源１１、電流・電圧変換器１３、ロックインアンプ１４、Ａ／Ｄ変換器１５、コンピュータ１６及び光電検出装置１７を有して構成されている。
【００１３】
真空チャンバー１には、光スイッチ素子（図示せず）を有するテラヘルツパルス光源３と、このテラヘルツパルス光源３から出射されたテラヘルツパルス光を被測定試料２に集光照射する照明光学系４と、光スイッチ素子（図示せず）を有するテラヘルツパルス光検出器６と、被測定試料２で反射したテラヘルツパルス光をテラヘルツパルス光検出器６に集光結像する結像光学系５とが配設されている。
【００１４】
レーザー光源１０は、数１０フェムト秒のパルス幅を有する近赤外領域波長のレーザーパルス光を発光し、レーザー光源１０から出射されたレーザーパルス光はハーフミラー７ａに入射する。ハーフミラー７ａに入射したレーザーパルス光の約半分は反射し、残りの大部分のレーザーパルス光は透過する。
【００１５】
ハーフミラー７ａで反射したレーザーパルス光は、さらにハーフミラー７ｂに入射し、一部が透過し、残りの大部分が反射する。そして、ハーフミラー７ｂで反射したレーザーパルス光は、ポンプパルス光としてテラヘルツパルス光源３に入射する。テラヘルツパルス光源３の光スイッチ素子には、バイアス電源１１よりバイアス電圧が印加されている。この状態でテラヘルツパルス光源３の光スイッチ素子にポンプパルス光が入射すると、このポンプパルス光で励起されてテラヘルツパルス光が放射される。テラヘルツパルス光源３から放射されたテラヘルツパルス光は、照明光学系４で集光されて被測定試料２に照射される。被測定試料２で反射したテラヘルツパルス光は、結像光学系５で集光されてテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子に照射される。
【００１６】
一方、ハーフミラー７ａを透過したレーザーパルス光は、ミラー８ａで反射されて時間遅延装置９に入射する。時間遅延装置９は、直角ミラー９ａを搭載しモーター９ｂにより矢印方向に精密移動するステージ（図示せず）を構成し、リニアエンコーダ等の直線移動検出器９ｃにより正確に検出されたステージの移動量により、ステージコントローラ９ｄがステージを精密駆動する。時間遅延装置９に入射したレーザーパルス光は、直角ミラー９ａで反射して出射し、ミラー８ｂ，８ｃ，８ｄの順で反射してプローブパルス光としてテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子に照射される。このプローブパルス光はステージ上の直角ミラー９ａの移動により光路長が変化させられるために時間遅延を生じ、テラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子におけるテラヘルツパルス光の受信波形の再現に用いられる。
【００１７】
テラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子は、この光スイッチ素子にプローブパルス光が照射された瞬間に入射しているテラヘルツパルス光の電場強度を検出し電流信号ＳＩを出力する特性を有している。光スイッチ素子から出力された電流信号ＳＩは、電流・電圧変換器１３で電圧信号ＳＶに変換されるとともに増幅されてロックインアンプ１４に渡される。
【００１８】
ここで、テラヘルツパルス光源３で放射されたテラヘルツパルス光は、ポンプパルス光で励起されているため、このポンプパルス光と同じパルスの繰り返し周波数を有している（以降では、この繰り返し周波数を「テラヘルツ繰り返し周波数」と呼ぶ）。このため、被測定試料２で反射したテラヘルツパルス光がテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子に入射して、この光スイッチ素子から出力される電流信号ＳＩ及び電流・電圧変換器１３から出力される電圧信号ＳＶもこのポンプパルス光若しくはテラヘルツパルス光のパルスの繰り返し周波数（テラヘルツ繰り返し周波数）を含んでいる。よって、ハーフミラー７ｂを透過したレーザーパルス光を光電検出装置１７に照射し、光電検出器１７ａで検出してその信号を同調増幅器等で構成される処理回路１７ｂによりＳ／Ｎを改善した上で基準信号ＳＲとしてロックインアンプ１４に渡されて、テラヘルツ繰り返し周波数で電圧信号ＳＶをロックイン増幅することができる。
【００１９】
なお、ロックインアンプ１４は、測定信号（上述の電圧信号ＳＶ）と基準信号（参照信号とも呼ばれる。上述の基準信号ＳＲ）を位相検出器（ＰＳＤ）で測定信号から基準信号の周波数成分に相当する信号を抽出し、この信号の振幅に比例した直流信号を出力する（ロックイン増幅する）微小信号検出器として利用されている。
【００２０】
ロックインアンプ１４で電圧信号ＳＶをロックイン増幅した信号ＳＬは、Ａ／Ｄ変換器１５に渡され、ディジタル信号ＳＤに変換されて、コンピュータ１６に渡される。コンピュータ１６は、時間遅延装置９のステージコントローラ９ｄを制御して上述したようにプローブパルス光の到達するタイミングをずらしながら、この制御により得られたテラヘルツパルス光の電場強度の時間変化を測定した結果のディジタル信号ＳＤをフーリエ変換して各波長の電場強度と位相情報を算出する。
【００２１】
なお、上述したテラヘルツパルス光計測装置では、被測定試料２でテラヘルツパルス光を反射させてこの反射パルス光をテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子で検出していたが、テラヘルツパルス光源３から出射されたテラヘルツパルス光が被測定試料２を透過するように構成し、この透過パルス光をテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子で検出するように構成することも可能であり、被測定試料２の材質特性により適切な方法が選択される。
【００２２】
上述したように、テラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子から出力される電流信号ＳＩは、インパルス的な高周波であり、且つ、微弱であるため、電圧信号ＳＶへの変換はＳ／Ｎを上げて行う必要がある。本発明に係るテラヘルツ受信回路では、テラヘルツパルス光検出器６から出力される電流信号ＳＩを電圧信号ＳＶに変換する電流・電圧変換器１３の回路構成を工夫し、テラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子の機能を十分に引き出し、電流信号ＳＩを効率良く利用している。以下に、その実施例について説明する。
【００２３】
光スイッチ素子の中には、その光スイッチ素子に接続される電流・電圧変換器の回路構成が対称となっている時に、出力される電流信号のＳ／Ｎが向上するものがある。本発明に係るテラヘルツ受信回路では、このような光スイッチ素子を利用するために、電流・電圧変換器１３をテラヘルツパルス光検出器６に対して対称な回路構成（平衡回路）として構成しており、この回路構成について図１を用いて説明する。
【００２４】
図１（Ａ）は、抵抗値の高い抵抗３１，３２を有しテラヘルツパルス光検出器６に配設されている光スイッチ素子３０から出力される電流信号ＳＩを電圧信号に変換する電流・電圧変換回路と、その電圧信号を増幅するとともににインピーダンスを変換して電圧信号ＳＶを出力する増幅回路で構成されており、光スイッチ素子３０に対して対称な回路構成となっている。光スイッチ素子３０の両端には、直列に接続された抵抗３１，３２が接続されている。また、抵抗３１と抵抗３２の接続点３３は接地されており基準電圧となる。また、この抵抗３１，３２は同じ抵抗値を持つ抵抗で構成されることが好ましい。
【００２５】
抵抗３１，３２で変換された電圧信号を増幅するとともにインピーダンスを変換する増幅回路は、トランジスター３４，３５と抵抗３６，３８，３９とから構成される差動増幅回路と、トランジスター４２と抵抗４３とから構成されるバッファ増幅回路とから構成され、差動増幅回路で抵抗３１，３２で変換された電圧信号を増幅して、バッファー増幅回路でその出力のインピーダンス変換を行う。差動増幅回路において、トランジスター３４，３５のソースは接続されており、その接続点３７は、抵抗３６を介して抵抗３１，３２の接続点３３に接続されている。そして、抵抗３８，３９が直列に接続され、その接続点４０に電源４５が接続されるとともに、抵抗３８の一端にトランジスター３４のドレインが接続され、抵抗３９の一端にトランジスター３５のドレインが接続される。さらに、抵抗３１の一端がトランジスター３４のゲートに接続され、抵抗３２の一端がトランジスター３５のゲートに接続される。
【００２６】
バッファー増幅回路において、トランジスター４２のベースにトランジスター３４のドレインと抵抗３８の接続点４１が接続されている。そして、トランジスター４２のコレクタが電源４５に接続され、エミッタが抵抗４３を介して接地される。
【００２７】
光スイッチ素子３０から出力された電流信号ＳＩは、抵抗３１，３２で変換されてテラヘルツパルス光の振幅に比例する電圧信号となる。この抵抗３１及び抵抗３２で生じた電圧信号は、差動増幅回路に入力されて各々増幅される。そして、増幅された電圧信号は、差動増幅回路を構成する一方のトランジスター３４に接続された抵抗３８を介してバッファ増幅回路に渡され、インピーダンスが変換されて、トランジスター４２のエミッタと抵抗４３の接続点４４から電圧信号ＳＶとして出力される。なお、バッファー増幅回路を、差動増幅回路の他方のトランジスター３５に接続された抵抗３９を介して接続しても良いことは言うまでもない。また、抵抗３１，３２の接続点３３を接地せず、抵抗３１，３２が合成された一つの抵抗として実現することも可能である。
【００２８】
図１（Ｂ）は別の回路構成で実現したものであり、電流信号ＳＩを抵抗４９とＯＰアンプ５２及び抵抗５０とＯＰアンプ５３で電圧信号に変換している。変換された電圧信号は差動増幅器５４に入力されて増幅とインピーダンス変換をして、電圧信号ＳＶを出力するよう構成した場合を示している。なお、抵抗４９，５０は同じ抵抗値を持つ抵抗で構成されることが好ましい。
【００２９】
以上のように、電流・電圧変換器１３において、電流信号ＳＩを電圧信号に変換する２つの抵抗の接続点（例えば、図１（Ａ）における抵抗３１，３２の接続点３３）を接地して基準電圧とする、または、接続点を浮かした対称な回路構成とすることにより、光スイッチ素子３０の機能を十分に引き出すことができ、電流信号ＳＩのＳ／Ｎを上げることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のような構成によれば、テラヘルツ受信回路を構成する電流・電圧変換器の回路構成をテラヘルツパルス光検出器（光スイッチ素子）の特性に合わせて対称とすることにより、光スイッチ素子の機能を十分に引き出すことができ、テラヘルツパルス光検出器から出力される電流信号のＳ／Ｎを向上することができるため、テラヘルツパルス光計測装置における計測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るテラヘルツ受信回路の第１の実施例を示す回路図であり、（Ａ）は差動増幅回路で増幅した後にバッファー増幅回路でインピーダンスを変換した場合の回路図であり、（Ｂ）はバッファー増幅回路でインピーダンスを変換した後に差動増幅回路で増幅した場合の回路図である。
【図２】本発明に係るテラヘルツパルス光計測装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
２  被測定試料
６  テラヘルツパルス光検出器
１３  電流・電圧変換器
３０  光スイッチ素子
【図１】
2004163283.tif 000003
【図２】
2004163283.tif 000004