(57)【要約】【課題】線路の伝送損失を抑制し、基板内で発生する定在波によりアンテナの放射特性が劣化するのを防ぐ。さらに、安価な材料で、製造コストを抑制し、かつ、基板強度および熱伝導性を確保する。【解決手段】ミリ波信号を出力する信号源チップ１１と、信号源チップ１１に接続されたアンテナと、アンテナに電磁的に結合された導波管２２とを有する電磁波発生装置において、信号源チップ１１がフリップチップ実装された半導体基板１０を備え、アンテナは、半導体基板上に形成された平面アンテナであり、半導体基板は、平面アンテナが形成された部分が薄層化されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリ波信号を出力する信号源チップと、該信号源チップに接続されたアンテナと、該アンテナに電磁的に結合された導波管とを有する電磁波発生装置において、
前記信号源チップがフリップチップ実装された半導体基板を備え、
前記アンテナは、前記半導体基板上に形成された平面アンテナであり、前記半導体基板は、前記平面アンテナが形成された部分が薄層化されていることを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項２】
前記平面アンテナは、前記導波管の入り口部分に挿入され、
前記導波管は、前記入り口部分に、前記平面アンテナから発生した電磁波が後方に進行するのを防ぐブロックを有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波発生装置。
【請求項３】
前記平面アンテナは、テーパスロットアンテナであり、前記信号源チップに接続されたコプレーナ線路に、変換器とスロット線路とを介して接続され、
前記半導体基板は、前記平面アンテナと前記変換器と前記スロット線路とが形成された部分が薄層化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波発生装置。
【請求項４】
前記平面アンテナは、八木宇田アンテナであり、前記信号源チップに接続されたコプレーナ線路に、変換器とスロット線路とコプレーナスロット線路とを介して接続され、
前記半導体基板は、前記平面アンテナと前記変換器と前記スロット線路と前記コプレーナスロット線路とが形成された部分が薄層化されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波発生装置。
【請求項５】
前記平面アンテナと前記線路と前記変換器とは、膜厚１０μｍの金属膜により前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の電磁波発生装置。
【請求項６】
前記半導体基板は、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板またはＧａＡｓ基板のいずれかであり、薄層化されている部分の厚さが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電磁波発生装置。
【請求項７】
前記信号源チップは、裏面入射型の単一走行キャリアフォトダイオードからなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電磁波発生装置。
【請求項８】
前記信号源チップは、端面入射型の単一走行キャリアフォトダイオードからなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電磁波発生装置。
【請求項９】
前記信号源チップは、ミリ波帯の発振器からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電磁波発生装置。
【請求項１０】
前記信号源チップと前記平面アンテナとの間に接続され、前記半導体基板上にフリップチップ実装された電気増幅器を備えたことを特徴とする請求項７、８または９に記載の電磁波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波発生装置に関し、より詳細には、ミリ波信号を生成し、平面アンテナから導波管を介して電磁波を出力する電磁波発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画像や映像等の大容量の情報を扱うために、周波数が１００ＧＨｚに達する無線通信システムの開発が進められている。このようなミリ波帯の周波数を扱う送信機は、もはや電気的な構成では実現が困難であり、光信号においてミリ波信号を生成し、光電変換を行ってから電磁波を送信している。
【０００３】
また、近年開発された単一走行キャリアフォトダイオード（以下、ＵＴＣ−ＰＤという）は、高速、高出力を特徴としており、１００ＧＨｚ，１０ｍＷ以上の出力を得ることができるので、電気的な増幅器を必要とせずに、送信機を構成することができる。
【０００４】
図８に、従来のＵＴＣ−ＰＤを使用した送信機のフォトニックエミッタを示す。光電変換を行ってから電磁波を送信する電磁波発生装置であるフォトニックエミッタは、ＵＴＣ−ＰＤのフォトダイオードチップ８１と、コプレーナ線路８２によりフォトダイオードチップ８１に接続されたスロットアンテナ８３と、エアブリッジ８４とにより構成されている（例えば、非特許文献１参照）。このフォトニックエミッタは、平面アンテナからミリ波帯の電磁波が放射されるために、電磁波の指向性に限界がある。ガウシアン光学レンズアンテナなどにより、指向性の高いアンテナと組み合わせるためには、導波管出力のフォトニックエミッタが必要となる。
【０００５】
図９に、従来の導波管出力のフォトニックエミッタを示す。フォトニックエミッタは、石英基板９０上に、フォトダイオードチップ９１と、マイクロストリップ線路によりフォトダイオードチップ９１に接続されたスロットアンテナ９３とを備えている。また、導波管マウント９４に設けられた導波管９５が、石英基板９０上のスロットアンテナ９３の裏面に接して設けられている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００６】
光ファイバ９６と集光用レンズ９７を介して、フォトダイオードチップ９１に光信号が入力されると、フォトダイオードチップ９１において変換されたミリ波信号は、スロットアンテナ９３を介して、導波管９５から出力される。このフォトニックエミッタは、基板による伝送損失を抑制するために、高価な石英基板を使用している。
【０００７】
【非特許文献１】
Ａ．Ｈｉｒａｔａ  ｅｒ  ａｌ，  “Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  １２０−ＧＨｚ  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−Ｗａｖｅ  Ａｎｔｅｎｎａ  ｆｏｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ”，  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  ＭＴＴ，  ２００１，  ｐｐ．２１５７−２１６２
【０００８】
【非特許文献２】
Ｔ．Ｎｏｇｕｃｈｉ  ｅｒ  ａｌ，  “Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  Ｗａｖｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ”，  Ｐｒｏｃ．  １２ｔｈ  Ｉｎｔ．  Ｓｙｍｐ．  Ｓｐａｃｅ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  ２００１，  ｐｐ．７３−８０
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
安価なフォトニックエミッタを実現するためには、原料費が安く、製造プロセスも成熟し、大量生産が可能なＳｉ等の半導体基板上に形成するのが好ましい。Ｓｉは熱伝導性に優れ、フォトダイオードの発熱による破壊を防ぐことができる。また、Ｓｉ等の半導体基板上には、データ処理回路などの集積回路を形成することができる。
【００１０】
しかしながら、Ｓｉ等の半導体基板は、基板による伝送損失が大きい。また、誘電率が高いので、実効的な基板の厚みが大きくなるために、基板内で定在波が発生し、アンテナの放射特性が劣化するという問題があった。一方、Ｓｉ等の半導体基板の厚さを薄くすると、基板の強度は大幅に低下し、ハンドリングが困難になるとともに、ヒートシンクとしての熱伝導性が確保できないという問題もあった。
【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、安価な材料で、製造コストが低く、かつ、基板強度および熱伝導性を確保した電磁波発生装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ミリ波信号を出力する信号源チップと、該信号源チップに接続されたアンテナと、該アンテナに電磁的に結合された導波管とを有する電磁波発生装置において、前記信号源チップがフリップチップ実装された半導体基板を備え、前記アンテナは、前記半導体基板上に形成された平面アンテナであり、前記半導体基板は、前記平面アンテナが形成された部分が薄層化されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記平面アンテナは、前記導波管の入り口部分に挿入され、前記導波管は、前記入り口部分に、前記平面アンテナから発生した電磁波が後方に進行するのを防ぐブロックを有することを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記平面アンテナは、テーパスロットアンテナであり、前記信号源チップに接続されたコプレーナ線路に、変換器とスロット線路とを介して接続され、前記半導体基板は、前記平面アンテナと前記変換器と前記スロット線路とが形成された部分が薄層化されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記平面アンテナは、八木宇田アンテナであり、前記信号源チップに接続されたコプレーナ線路に、変換器とスロット線路とコプレーナスロット線路とを介して接続され、前記半導体基板は、前記平面アンテナと前記変換器と前記スロット線路と前記コプレーナスロット線路とが形成された部分が薄層化されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の前記平面アンテナと前記線路と前記変換器とは、膜厚１０μｍの金属膜により前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の前記半導体基板は、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板またはＧａＡｓ基板のいずれかであり、薄層化されている部分の厚さが１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の前記信号源チップは、裏面入射型の単一走行キャリアフォトダイオードからなることを特徴とする。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の前記信号源チップは、端面入射型の単一走行キャリアフォトダイオードからなることを特徴とする。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の前記信号源チップは、ミリ波帯の発振器からなることを特徴とする。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、請求項７、８または９に記載の電磁波発生装置において、前記信号源チップと前記平面アンテナとの間に接続され、前記半導体基板上にフリップチップ実装された電気増幅器を備えたことを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２３】
図１に、本発明の第１の実施形態にかかるフォトニックエミッタを示す。フォトニックエミッタは、基板１０ａ，１０ｂ上に、フォトダイオードチップ１１と、フォトダイオードチップ１１に接続されたアンテナとを備えている。このアンテナは、導波管マウント２１ａ，２１ｂに設けられた導波管２２の入り口に設置され、導波管２２と電磁的に結合されている。導波管２２の入り口には、アンテナから発生した電磁波が、後方に進行するのを防ぐブロック２３ａ，２３ｂが設けられている。
【００２４】
このような構成により、光ファイバ２６と集光用レンズ２７を介して、フォトダイオードチップ１１に光信号が入力される。フォトダイオードチップ１１において光信号から変換されたミリ波信号は、アンテナを介して、導波管２２から出力される。
【００２５】
フォトダイオードチップ１１には、ＩｎＰ基板上に形成した裏面入射型のＵＴＣ−ＰＤを使用した。フォトダイオードチップ１１は、フリップチップ実装によって、基板１０ｂに接続されている。導波管２２のサイズは、ＷＲ−８である。ミリ波信号の周波数は、１２０ＧＨｚである。
【００２６】
図２に、第１の実施形態にかかるフォトニックエミッタの基板を示す。図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は側面図である。フォトニックエミッタは、ＵＴＣ−ＰＤのフォトダイオードチップ１１と、コプレーナ線路１２とスロット線路１７とによりフォトダイオードチップ１１に接続されたテーパスロットアンテナ１３と、エアブリッジ１４とにより構成されている。また、コプレーナ線路１２とスロット線路１７とを接続するための変換器１６を備えている。
【００２７】
このような構成により、フォトダイオードチップ１１で変換されたミリ波信号は、コプレーナ線路１２、変換器１６、スロット線路１７を介して、テーパスロットアンテナ１３に供給される。平面アンテナであるテーパスロットアンテナ１３から放射された電磁波は、図１に示したように、電磁的に結合された導波管２２から出力される。
【００２８】
図２（ｂ）に示したように、変換器１６、スロット線路１７およびテーパスロットアンテナ１３が形成された基板１０ｂの厚さは、１００μｍである。また、基板１０ａ，１０ｂとを合わせた基板の厚さは、５００μｍである。この構造は、図に示したように、厚さ１００μｍの基板１０ｂに、厚さ４００μｍの基板１０ａを張り合わせてもよいし、厚さ５００μｍの基板の一部をエッチングにより取り除いてもよい。少なくともアンテナが形成された部分の基板が薄層化されていればよい。
【００２９】
基板１０ａ，１０ｂはＳｉ基板であり、半導体基板として、ＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板などを用いてもよい。基板上に形成された回路は、膜厚１０μｍの金属膜、例えばＡｕで形成されている。基板１０ｂ上に形成されたコプレーナ線路などの回路は、信号線とグラウンド間のスペースを２０μｍ程度に狭め、金属膜の厚さを１０μｍ程度にすることにより、金属配線の側壁間に電界を閉じ込めることができる。この方法によれば、基板に形成された線路における伝送損失を抑制することができる。
【００３０】
また、テーパスロットアンテナ１３が形成された基板１０ｂの厚さを、１００μｍにすることにより、基板内で定在波が発生し、アンテナの放射特性が劣化するのを防ぐことができる。図３に、Ｓｉ基板の厚さと基板上に形成された回路の伝達特性との関係を示す。周波数１００ＧＨｚを超える帯域において、伝達特性が大幅に改善されているのがわかる。
【００３１】
一方、Ｓｉ等の半導体基板の厚さを薄くすると、基板の強度は大幅に低下し、ハンドリングが困難になる。薄くした基板に、フリップチップ接続、ワイヤボンディングなどの荷重を加えると、基板が破損する恐れがある。さらに、薄くした基板は、ヒートシンクとしての効果が低減してしまう。そこで、本実施形態においては、アンテナなどの定在波の発生を抑制する必要のある部分のみ、基板を薄層化し、その他の部分は厚くすることにより、基板強度および熱伝導性の確保とを両立させている。
【００３２】
図４に、本発明の第２の実施形態にかかるフォトニックエミッタを示す。フォトダイオードチップ３１には、端面入射型のＵＴＣ−ＰＤを使用した。この構成によれば、導波管２２出力の反対方向に、光信号の入力を設けることができる。
【００３３】
図５に、本発明の第３の実施形態にかかるフォトニックエミッタを示す。第３の実施形態は、アンテナとして八木宇田アンテナ３３を使用した。フォトダイオードチップ１１で発生したミリ波信号を、スロット線路１７に導くまでの構成は、第１の実施形態に同じである。第３の実施形態では、スロット線路１７をコプレーナスロット線路３２に変換し、八木宇田アンテナ３３の放射器に接続している。
【００３４】
図６に、本発明の第４の実施形態にかかるフォトニックエミッタを示す。第４の実施形態では、フォトダイオードチップ１１とアンテナとの間に、電気的な増幅器チップ３４を実装している。フォトダイオードチップ１１で発生したミリ波信号を、増幅器チップ３４で増幅して、アンテナに供給する。フォトダイオードチップ１１に入力する光信号強度を小さくすることができるので、光増幅器が不要になるとともに、ＵＴＣ−ＰＤの信頼性が向上するなどの利点がある。
【００３５】
図７に、信号源チップとして高周波発振器への適用例を示す。フォトダイオードチップ１１に変えて、信号源チップとしてミリ波帯の発振器チップ３５を基板１０ｂに実装する。また、基板１０ｂ上に、モノリシックに発振器を構成してもよいし、コネクタを介して外部からミリ波信号を入力するようにしてもよい。
【００３６】
本実施形態によれば、基板として、Ｓｉ等の半導体基板を使用するので、石英基板と比較して安価であり、製造プロセスも成熟していることから、製造コストを抑制することができる。また、半導体基板上に金属の微細パターンを形成することは、既存の半導体プロセスを用いることができる点で、製造コストを抑制することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、信号源チップがフリップチップ実装された半導体基板と、半導体基板上に形成された平面アンテナとを備え、半導体基板は、平面アンテナが形成された部分が薄層化されているので、線路の伝送損失を抑制し、基板内で発生する定在波によりアンテナの放射特性が劣化するのを防ぐことが可能となる。
【００３８】
また、本発明によれば、半導体基板を用いることにより、安価な材料で、製造コストが低く、かつ、基板強度および熱伝導性を確保した電磁波発生装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかるフォトニックエミッタを示す断面図である。
【図２】第１の実施形態にかかるフォトニックエミッタの基板を示す図である。
【図３】Ｓｉ基板の厚さと基板上に形成された回路の伝達特性との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかるフォトニックエミッタを示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態にかかるフォトニックエミッタを示す上面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態にかかるフォトニックエミッタを示す断面図である。
【図７】信号源チップとして高周波発振器への適用例を示す断面図である。
【図８】従来のＵＴＣ−ＰＤを使用した送信機のフォトニックエミッタを示す上面図である。
【図９】従来の導波管出力のフォトニックエミッタを示す断面図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ    石英基板
１１，３１    フォトダイオードチップ
１２    コプレーナ線路
１３    テーパスロットアンテナ
１４    エアブリッジ
１５    バイアス・パッド
１６    変換器
１７    スロット線路
２１ａ〜２１ｄ    導波管マウント
２２    導波管
２３ａ，２３ｂ    ブロック
２６    光ファイバ
２７    集光用レンズ
３２    コプレーナスロット線路
３３    八木宇田アンテナ
３４    増幅器チップ
３５    発振器チップ
【図１】
2004312397.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004312397.tif 000006
【図５】
2004312397.tif 000007
【図６】
2004312397.tif 000008
【図７】
2004312397.tif 000009
【図８】
2004312397.tif 000010
【図９】
2004312397.tif 000011