(57)【要約】【課題】より微細で１ＴＨｚ以上の高周波数領域のミリ波が発生可能なミリ波発生装置を提供する。【解決手段】波長λ１と波長λ２との２つの光の合成波を伝搬させる光導波路１０１と、この光導波路のコア１０２の中心部分に一致するように、光導波路１０１の光出射端に配置された微粒子状のミリ波発生媒質１０４とを備える。ミリ波発生媒質１０４は、電子が放出される不純物が添加（ドープ）された半導体及び電子が放出される物質が混合された金属酸化物の少なくとも１つから構成されている。【選択図】  図１
2007017729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定数密度のフリーキャリアを備えたミリ波発生媒質と、
前記ミリ波発生媒質に互いの異なる２つの光によるビート波を照射するビート波照射手段と
を少なくとも備え、
前記フリーキャリアの数密度は、前記ビート波の周波数に等しい角周波数のプラズマ振動を与える条件に整合している
ことを特徴とするミリ波発生装置。
【請求項２】
請求項１記載のミリ波発生装置において、
所定の平面に配列された複数の前記ミリ波発生媒質を備え、
前記ビート波照射手段は、前記平面と前記２つの光の等位相面が一致するように前記２つの光を前記平面に照射し、
前記ミリ波発生媒質は、入射される２つの光の短い方の波長以下の粒径の微粒子である
ことを特徴とするミリ波発生装置。
【請求項３】
請求項２記載のミリ波発生装置において、
複数の前記ミリ波発生媒質毎に設けられた前記ビート波照射手段と、
前記ビート波照射手段毎に設けられて２つの光の位相を制御する光位相制御手段と
を備えることを特徴とするミリ波発生装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のミリ波発生装置において、
前記ミリ波発生媒質は、金属酸化物に金属が混合された混合体であり、前記金属により前記フリーキャリアを備えた状態とされている
ことを特徴とするミリ波発生装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のミリ波発生装置において、
前記ミリ波発生媒質は、アモルファス状の半導体に金属が混合された混合体であり、前記金属により前記フリーキャリアを備えた状態とされている
ことを特徴とするミリ波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラＨｚ帯のミリ波を発生するミリ波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ギガからテラヘルツ帯（１０9〜１０12Ｈｚ）に渡る電磁波、いわゆるミリ波は、指向性や透過性という観点で電波と光の中間の性質を持ち、通信のみならず、インスペクション及びセンシングなどの計測に幅広く用いられている。このようなミリ波を発生する方法には、従来より、負性抵抗を有するガン（Gunn）ダイオードや、なだれ現象を利用したインパット（Impact Avaranche and Transit Time:IMPATT）ダイオードが利用されて、１Ｗクラスの高出力発振が実現されている。
【０００３】
しかしながら、１ＴＨｚ以上の高周波数領域のミリ波を発生するためには、上述したガンダイオードやインパットダイオードなどの半導体装置では限界があるため、図１５に示すようなバンド構造を備えたトンネルダイオードが利用されている（非特許文献１参照）。トンネルダイオードは、負性抵抗を示すｐ型領域１５０１とｎ型領域１５０２とが接合された素子である。従って、トンネルダイオードでは、準方向にバイアスをかけてゆくと、矢印で示すように、ｎ型領域１５０２にある電子は、空乏領域１５０３をトンネルしてｐ型領域１５０１の価電子帯最上位に形成されている空包部１５０１ａ（正孔が占有）に移動する。この時、電子のポテンシャルエネルギーの差分が、ミリ波となって放射される。なお、図１５では、電子の存在を灰色の領域で示している。
【０００４】
【非特許文献１】A.Adams, et al., "Light emission from small metal particles and thin metal films excited by tunneling electrons", Phys.Rev.B, Vol.23, No.8, pp.3597-3601, 1981.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したようなトンネル電子のエネルギー緩和によるミリ波発生では、ミリ波の発生確率はバイアス電圧とともに大きくなるが、トンネルが可能なバイアス電圧の範囲は限定される。これは、高バイアス下では、ｎ型領域の伝導帯の最上位がｐ型領域の禁止帯に上昇し、トンネル確率が０となるためである。このようなバイアス電圧の上限により制限されるミリ波の出力を補償するため、図１６に示すような、ミリ波発生装置が提案されている。この装置では、トンネルダイオード１６０１より出力されるミリ波が導波する導波管１６０２の無反射端１６０３近傍に空洞共振器１６０４を設け、出力されるミリ波を増強するようにしたものである。しかしながら、外部に共振器を付加するミリ波発生装置は、装置の構成が複雑になり、小型化が困難である。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より微細で１ＴＨｚ以上の高周波数領域のミリ波が発生可能なミリ波発生装置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】
【０００７】
本発明に係るミリ波発生装置は、所定数密度のフリーキャリアを備えたミリ波発生媒質と、ミリ波発生媒質に互いの異なる２つの光によるビート波を照射するビート波照射手段とを少なくとも備え、フリーキャリアの数密度は、ビート波の周波数に等しい角周波数のプラズマ振動を与える条件に整合しているようにしたものである。ビート波の照射により、ビート波の周波数に等しい角周波数のプラズマ振動がミリ波発生媒質に励起され、これによる電子の振動によりミリ波が放射される。
【０００８】
上記ミリ波発生装置において、所定の平面に配列された複数のミリ波発生媒質を備え、ビート波照射手段は、平面と２つの光の等位相面が一致するように２つの光を平面に照射し、ミリ波発生媒質は、入射される２つの光の短い方の波長以下の粒径の微粒子であるようにすることで、より指向性の高いビーム状のミリ波の放射が得られる。また、複数のミリ波発生媒質毎に設けられたビート波照射手段と、ビート波照射手段毎に設けられて２つの光の位相を制御する光位相制御手段とを備えることで、より指向性の高いビーム状のミリ波を偏向させることができる。
【０００９】
上記ミリ波発生装置において、ミリ波発生媒質は、金属酸化物に金属が混合された混合体であり、金属によりフリーキャリアを備えた状態とされていればよい。また、ミリ波発生媒質は、アモルファス状の半導体に金属が混合された混合体であり、金属によりフリーキャリアを備えた状態とされていてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、所定数密度のフリーキャリアを備えたミリ波発生媒質にビート波を照射し、ビート波の周波数に等しい角周波数のプラズマ振動がミリ波発生媒質に励起され、これによる電子の振動によりミリ波が放射されるようにしたので、より微細で１ＴＨｚ以上の高周波数領域のミリ波が発生可能なミリ波発生装置が容易に実現できるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるミリ波発生装置の構成例を示す模式的な断面図である。図１に示すミリ波発生装置は、波長λ１と波長λ２との２つの光の合成波を伝搬させる光導波路１０１と、この光導波路のコア１０２の中心部分に一致するように、光導波路１０１の光出射端に配置された微粒子状のミリ波発生媒質１０４とを備えるようにしたものである。なお、光導波路１０１は、コア１０２とこの周囲に配置されたクラッド１０３とから構成されている。
【００１２】
ミリ波発生媒質１０４は、電子が放出される不純物が添加（ドープ）された半導体及び電子が放出される物質が混合された金属酸化物の少なくとも１つから構成されていればよい。例えば、ミリ波発生媒質１０４は、Ａｕがドープされたアモルファスシリコンから構成されていればよい。また、ミリ波発生媒質１０４は、アルミニウムが混合された酸化アルミニウムから構成されていてもよい。また、ミリ波発生媒質１０４は、光導波路１０１（コア１０２）より出射されるビート波との結合（整合性）や、製造時のハンドリングなどを考慮すると、粒径が数μｍ程度であればよい。
【００１３】
光導波路１０１を伝播する波長λ１と波長λ２との２つの光の合成波がミリ波発生媒質１０４に照射されると、このビート波によりミリ波発生媒質１０４のキャリア（自由電子）が振動し、ミリ波が発生される。ミリ波発生媒質１０４において、例えば自由電子の数密度が、ビート波の周波数に等しい角周波数のプラズマ振動を与える条件に整合していれば、照射されたテラＨｚ帯のビート波により励起（共鳴励起）されたプラズマ振動で、テラＨｚ帯のミリ波が点光源状に発生する。
【００１４】
双極子放射の理論より、発生されるミリ波の放射方向は、双極子の軸に垂直な方向となる。光導波路１０１の反対側（図１の紙面において右側）へ放射されるミリ波の強度を高めるために、反射板１０５が配置されているようにしてもよい。反射板１０５は、球の一部を切り出した形状をしており、ミリ波発生媒質１０４からみて光導波路１０１の側に凸の形状とされている。反射板１０５の材料は、Ａｌ，Ａｕ，Ａｇなどの金属であればよい。
【００１５】
波長λ１と波長λ２との２つの光の光源には、独立の単一モードレーザが利用可能である。但し、独立レーザの場合には、位相が乱雑であるため、これによるビート波の照射によりミリ波発生媒質１０４から放射されるミリ波の位相の雑音も大きくなる。このため、光源として用いる２つレーザの位相は、同期させることが望ましい。位相を同期させる方法としては、光位相を電気的に検出して検出された誤差を相殺することにより同期を達成する位相同期ループが利用できる。また、モード同期レーザのように、光位相がはじめから同期して発振するレーザも利用できる。モード同期レーザの場合、レーザのスペクトル成分は複数になるが、これらすべてがミリ波発生媒質１０４に照射されても、テラヘルツの共鳴振動は生じるので問題はない。これらの光源と光導波路１０１とにより、ビート波照射手段が構成される。
【００１６】
以下、波長λ１と波長λ２との２つの光のビート波の照射による、ミリ波発生媒質１０４からのミリ波の放射についてより詳細に説明する。なお、以下では、フリーキャリアとして自由電子を例に説明するが、これに限るものではなく、正孔をフリーキャリアとして扱うようにしてもよいことは言うまでもない。図２に示すように、フリーキャリア（自由電子）を持つミリ波発生媒質１０４に、交番電場２０１を印加することを考える、交番電場２０１の印加によりミリ波発生媒質１０４に含まれる電子（フリーキャリア）は移動し、ミリ波発生媒質１０４の表面にプラスとマイナスの電荷が生じる。これにより、ミリ波発生媒質１０４には分極が形成され、形成された分極の内部では、印加された電場を打ち消すような反電場２０２が形成される。
【００１７】
この反電場２０２は、外部の電場に対して反作用的な振る舞いをし、数学的には、強制振動のあるばね系と同じ形式を呈する。従って、強制振動に対応する外部の交番電場２０１により、ミリ波発生媒質１０４の電子系という内部のばね系を共振させることができる。このように、自由電子系では、電子の局所的変動がばね系に類似して移動に対する復元力が働き、一般には、局所的な電子密度変動により電子によるプラズマ波が媒質中（ミリ波発生媒質１０４）に発生する。
【００１８】
このような波動を定量的に解析するため、バルクの媒質に形成される分極の振動は、次の（１）式のように示される。
【００１９】
Ｐ（ｘ，ｔ）＝Ｐｅｘｐ（ｉｑｘ−ｉｗｔ）・・・（１）
ここで、ｘは分極の振動が伝搬する方向、ωは振動の角周波数、ｑは波数である。また、Ｐはベクトルである。
【００２０】
マックスエル（Maxwell）の方程式より、局所電場Ｅ（ｘ、ｔ）は、媒質の誘電関数をε（ω）とし、さらに時間項をフーリエ変換により角周波数の項に変化すると、次の（２）式のように表される。
【００２１】
ε0ε（ω）Ｅ（ω）＝Ｐ（ω）＋ε0Ｅ（ω）・・・（２）
【００２２】
従って、ミリ波発生媒質１０４に形成される分極は、電束密度により以下の（３）式に示すように表される。なお、Ｅ，Ｄはベクトルである
【００２３】
Ｐ（ω）＝｛１−ε（ω）｝／｛ε（ω）｝×Ｄ（ω）・・・（３）
【００２４】
従って、光角周波数が、ε（ω）＝０を満たすとき、有限の電束密度の変動により分極の振動は発散する。このような共鳴振動が、プラズマ振動である。
【００２５】
フリーキャリアを持つ媒質（ミリ波発生媒質１０４）の誘電関数は、一般に、以下の（４）式で示され、プラズマ振動を与える条件は、以下の（５）式で示されるものとなる。
【００２６】
ε（ω）＝１−ωp2／ω2・・・（４）
ω＝ωp＝｛（Ｎｅ2）／（ｍε0）｝1/2・・・（５）
【００２７】
上記（４）式で表される誘電関数は、媒質を特徴付けるもので、図３に示すように、ω＞ωpでは、媒質が透明、ω＜ωpでは媒質中に電磁波は存在できずに速やかに減衰する（波数がみかけ上虚数となる）。一方、電場と電束の符号が常に逆でる場合、媒質は金属的である。媒質が透明となる条件では、伝搬するフリーキャリアの分極波（ポラリトン）が存在し、このポラリトンが満足すべき波動方程式は、周波数表示で以下の（６）式で示されるものとなる。
【００２８】
ｑ2Ｅ（ω）＝μω2Ｄ（ω）＝ω2με0ε（ω）Ｅ（ω）・・・（６）
【００２９】
従って、上記ポラリトン（分極波）が満たす分散関係は次の（７）式で示されるものとなり、規格化された光各周波数ω／ωpが１を超える領域（図４の灰色の領域に示す領域）が、ポラリトンの存在する領域となる。なお、（７）式において、ｃは真空における光速である。
【００３０】
ω＝（ｑ2ｃ2＋ωp2）1/2・・・（７）
【００３１】
さらに、この分散関係から、ポラリトンの伝搬速度ｖgの周波数依存性が求められる。これは、伝播速度としてエネルギーの伝搬速度（群速度）に着目すると、以下の（８）式で示されるものとなる。
【００３２】
ｖg≡∂ω／∂ｑ＝１／（∂ｑ／∂ω）＝ｃ（ω2−ωp2）1/2／ω・・・（８）
【００３３】
従って、伝搬速度（群速度）ｖgは、図５に示すように、角周波数が大きいところでは光速とほとんど変わらず、共鳴周波数の近傍では０に収束する。これは、共鳴状態では、分極振動は局在するものの電場と磁場とでのエネルギー交換はなく、分極の振動そのものは電磁波の構造を形成していないためである。
【００３４】
しかしながら、局在する分極の振動は双極子振動としてみなせるので、分極の振動が発生した媒質からは、自由空間に球面光波（電磁波）の放射が生じる。ここで、体積δＶの領域に電子密度Ｎの電子がある場合、この電子の振動により放射される光（電磁波）の磁場δＢと電場δＥは、次の（９）式のように表される。なお、電場は、分極振動により生じる磁場に従属する。
【００３５】
【数１】
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なお、（９）式において、ベクトルＲは局在場所から観測点までの位置ベクトルである。また、ベクトルｒは、分極を発生する電子の相対座標ベクトルである。また、Ｂはベクトルである。
【００３６】
これらの電磁場は、スカラー波により近似でき、例えば、以下の（１０）式のように表すことができる。
【００３７】
Ｕ（Ｒ）＝（１／Ｒ）ｅｘｐ（ｉｋＲ−ｉωｔ）・・・（１０）
【００３８】
次に、分極振動を発生させるための電場の作り方について説明する。ミリ波帯は、電気の限界をはるかに超えた高周波数領域であるが、以下の（１１）式で示される２つの波長の異なる（ω1，ω2）光の混合波がつくるビート波によれば、波長制御により、容易にミリ波帯の周波数（テラヘルツ）を達成することができる。
【００３９】
Ｅeff＝Ｅ/２｛ｓｉｎ（ω1ｔ＋φ1）＋ｓｉｎ（ω2ｔ＋φ2）｝＝Ｅｓｉｎ｛（ω1＋ω2）・ｔ/２＋（φ1＋φ2）/２｝ｃｏｓ｛（ω1−ω2）・ｔ/２＋（φ1−φ2）/２｝・・・（１１）
【００４０】
ここで、このような、合成光電場に対する電子の応答を考える。電子の運動方程式は、以下の（１２）式で示されるが、フーリエ変換すると、以下の（１３）式に示すように、電場と電子の位置との応答関係が、容易に求められる。なお、γは、電子の緩和時間の逆数である。
【００４１】
【数２】
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【００４２】
ｓ（ω）＝｛ｅ／（ｍω2＋ｉγω）｝Ｅ（ω）・・・（１３）
【００４３】
従って、応答関数「ｇ（ω）＝ｅ／（ｍω2＋ｉγω）」は、周波数ωの増大とともに急速に減衰する。従って、外場Ｅの速い成分は除去され、低周波数成分が濾過されることになる。従って、（１１）式による電場は、以下の（１４）式に示される（近似される）ようになる。
【００４４】
Ｅeff≒Ｅ'ｃｏｓ［ｔ（ω1−ω2）／２＋（φ1−φ2）／２］・・・（１４）
【００４５】
従って、上記ビート波を印加されたミリ波発生媒質１０４では、Ω＝（ω1−ω2）／２の角周波数で電子（自由電子）が変調され、式（１０）に従ってミリ波が放射されるようになる。なお、図６に示すように、ミリ波発生媒質１０４に入射させる２つの光の周波数は、媒質（ミリ波発生媒質１０４）のプラズマ周波数よりも高いので、媒質の内部に浸透し、入射した２つの光によるビート波に対応した分極波を効率よく発生させる。また、ビート波によるプラズマ振動の共鳴励起は、外場による強制的な発振現象に類似の現象であって、媒質のプラズマ振動は外場の振動に引き込まれる。この結果、外場に同期したプラズマ振動が達成される。一方、式（１４）に示されるように、ビート波はもとの光の位相情報を残留させているので、入射させる光を位相制御することで、微粒子より放射されるミリ波の位相が制御可能である。
【００４６】
半導体中のバンド間遷移を利用する従来のミリ波発生では、遷移する際に形成される分極のコヒーレンスを一定に保持することが困難なため、発生するミリ波の位相を揃え、また制御することが困難であった。これに対し、本発明によるミリ波発生装置によれば、前述したように、発生するミリ波の位相を揃え、また制御することが容易となる。
【００４７】
さらに、ミリ波を発生させる微粒子状の媒質を周期的に配列させることで、位相制御によりミリ波の空間的制御が可能となる。例えば、励起する波長を１．５５μｍ帯、ビート波の差周波数を１ＴＨｚとし、微粒子を波長の１００倍（１５５μｍ）間隔で５個並べた場合を考える。これらを同位相の光で励振した場合、単一の媒質よりも指向性が高く従ってエネルギー密度の高いミリ波を発生させることができる。例えば、図７に示すように、単一の微粒子の場合、ブロードな単峰性の強度分布を呈している。なお、図７，及び以降に示す図８，図９は、媒質より１０ｍｍはなれた平面で観測したミリ波の強度分布を示し、ここでは、簡単のため２次元円筒波近似を用いている。
【００４８】
上述した単一の微粒子の場合に対し、周期配列された微粒子の場合には、図８に示すように、急峻な指向性を持ち相対強度も高いミリ波が発生する。このような増強作用は、よく知られたフェイズドアレイアンテナと同様の干渉機構による。さらに、周期配列された粒子の間で位相シフトを与えた場合、図９に示すようにビームを偏向させることができる。以上説明したように、光のビートにより微粒子の分極振動を同期させてミリ波を発生させることが可能である。
【００４９】
以下、分極振動の共鳴周波数が、ミリ波の周波数帯を呈する条件を考察する。テラヘルツ領域の電磁波に対応したプラズマ周波数を発生させるためには、媒質となる微粒子におけるキャリア密度を制御する必要がある。例えば、１ＴＨｚを発生するために要求される電子数密度Ｎは、以下の（１５）式で示されるものとなる。
【００５０】
Ｎ＝｛（２πｆ）2ｍε0｝／ｅ2＝｛（１０12Ｈｚ）2×９．０４×１０-31ｋｇ×８．８５×１０-12Ｆ／ｍ｝／（１．６×１０-19Ｃ）2＝１．２３×１０16ｃｍ-3・・・（１５）
【００５１】
このような最適電子数密度は、ミリ波の周波数の自乗に比例して増大し、３０ＴＨｚでは１．２３×１０19ｃｍ-3である。
【００５２】
このような電子数密度は、例えば、ｎ型の不純物がドープされた半導体により実現できる。例えば、Ｓｉではリン（ｐ）をドープすれば電子を放出するｎ型半導体となり、フリーキャリアの密度を上げることができる。１０19個／ｃｍ3以上の電子数密度を半導体で実現する場合、不純物ドープの限界が問題となる。これは、図１０に示すように、原子１００１が配列された完全結晶へ不純物原子１００２が挿入されると結晶が歪むため、挿入量に限界が生じるためである。しかし、図１１に示すように、母体の半導体の原子１１０１が不規則なアモルファスの状態の場合、多くの原子配列の乱れがあり、乱れた箇所により不純物原子１１０２を高濃度にドープすることができる。
【００５３】
このような不純物原子は、前述したシリコンに対するリンのように、化学的に電子を放出する原子の他に金属原子そのものであってもよい。この場合は、母体は半導体のほか、同種の金属酸化物を用いることができる。このとき、媒質の化学組成は、ＭＯxとなり、組成比ｘを連続的に制御することにより所望の電子数密度を達成することができる。
【００５４】
以下、微粒子を配列させる本発明のミリ波発生装置の構成例について説明する。図１２は、本発明の実施の形態における他のミリ波発生装置の構成例を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。図１２に示すミリ波発生装置は、基板１２０１の主表面１２０２に、微粒子状の複数のミリ波発生媒質１２０３が配列されているようにしたものである。基板１２０１は、例えば、酸化シリコンなどの入力される２つの光が透過する材料から構成されていればよい。また、隣り合うミリ波発生媒質１２０３の間隔は、高々１５０μｍであればよく、一辺が数ｍ程度の領域であれば、十分な数のミリ波発生媒質１２０３が配列可能である。
【００５５】
なお、ミリ波発生媒質１２０３は、図１に示すミリ波発生媒質１０４と同様であり、電子が放出される不純物が添加（ドープ）された半導体及び金属が混合された金属酸化物の少なくとも１つから構成されていればよい。例えば、ミリ波発生媒質１２０３は、Ａｕがドープされたアモルファスシリコンから構成されていればよい。また、ミリ波発生媒質１２０３は、アルミニウムが混合された酸化アルミニウムから構成されていてもよい。不純物の添加や金属の混合により、テラＨｚ帯とされたビート波の周波数に等しい角周波数のプラズマ振動を与える条件に整合した数密度の自由電子が、ミリ波発生媒質１２０３内に存在する状態とされていればよい。なお、ミリ波発生媒質１２０３は、粒径が数μｍ程度であればよい。
【００５６】
図１２に示すミリ波発生装置によれば、基板１２０１の裏面側より異なる波長の２つの光のコリメートビームを導入させ、導入させたコリメートビームによるビート波が、主表面１２０２に配列されているミリ波発生媒質１２０３に照射された状態とすることで、同位相で各々のミリ波発生媒質１２０３を共鳴振動させることができる。基板１２０１の裏面側より入射される異なる波長の２つの光と主表面１２０２との等位相面が一致するように、基板１２０１の裏面側より波長の異なる２つの光が入射されればよい。また、ミリ波発生媒質１２０３の粒径が、入射される２つの光の短い方の波長以下とされていれば、ミリ波が点光源から放射される状態となり、各ミリ波発生媒質１２０３から放射されるミリ波が、互いに干渉する状態となる。これにより、基板１２０１の主表面１２０２の側に、複数のミリ波発生媒質１２０３から放出されて鋭い指向性を有する状態とされたミリ波を発生させることができる。本例では、上記コリメートビームの光源と基板１２０１とにより、ビート波照射手段が構成されている。
【００５７】
次に、本発明の実施の形態における他のミリ波発生装置について説明する。図１３は、本発明の実施の形態における他のミリ波発生装置の構成例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図１３に示すミリ波発生装置は、導波路基板１３０１の上に、入力導波路１３０２，モード変換部１３０３，複数の分岐導波路１３０４，導波路型光変調器（光位相制御手段）１３０５，及び複数の微粒子状のミリ波発生媒質１３０６を備えるようにしたものである。ミリ波発生媒質１３０６は、図１に示すミリ波発生媒質１０４と同様であり、分岐導波路１３０４の光出射端に配置され、例えば、分岐導波路１３０４のコア径よりも小さい粒径とされている。また、各ミリ波発生媒質１３０６は、分岐導波路１３０４の光導波方向に垂直な同一の平面に配列されている。
【００５８】
入力導波路１３０２及び分岐導波路１３０４は、入力される２つの波長の光に対して単一モードである。また、導波路型光変調器１３０５は、電気信号により導波する光の位相を変調する。例えば、導波路型光変調器１３０５は、電流注入によりキャリア密度が制御できる素子から構成されていればよい。また、ミリ波発生媒質１３０６は、導波路型光変調器１３０５の出力側の分岐導波路１３０４の出射端に配置されていればよい。例えば、導波路基板１３０１の端部をエッチング加工してテラスの部分を形成すれば、このテラスの部分に分岐導波路１３０４の出射端が形成されるので、ミリ波発生媒質１３０６は、テラスの部分に配列して実装すればよい。
【００５９】
図１３に示すミリ波発生装置では、まず、入力導波路１３０２に入射された２つの波長の光の合成光は、モード変換部１３０３により各分岐導波路１３０４に分岐される。各分岐導波路１３０４に分岐された各々の合成光は、各導波路型光変調器１３０５により各分岐導波路１３０４毎に位相が変調される。このようにして、各分岐導波路１３０４毎に異なる位相とされた合成光は、各分岐導波路１３０４の光出射端に配置されている各ミリ波発生媒質１３０６に入射する。これらのことにより、複数のミリ波発生媒質１３０６は、各々異なる位相とされた合成波によるビート波で個別に励振され、各々ミリ波を発生する。このようにして各ミリ波発生媒質１３０６より発生された複数のミリ波は、互いに干渉し、より鋭い指向性を持ったビームとして放射される。まあ、照射されるビート波は、各々位相がシフトされているので、放射されるビームは、位相シフトの状態に対応して偏向される。
【００６０】
次に、本発明の実施の形態における他のミリ波発生装置について説明する。図１４は、本発明の実施の形態における他のミリ波発生装置の構成例を示す平面図（ａ），側面図（ｂ），（ｃ）である。なお、図１４（ｂ）は、入力される異なる波長の２つの光の導波方向及び発生されるミリ波の放射方向に対して垂直な方向からみた側面を示し、図１４（ｃ）は、発生されるミリ波の放射方向からみた側面を示している。図１４に示すミリ波発生装置は、下部クラッドとなる基板１４０２の上に、アモルファスシリコンから構成されたリッジ導波路１４０２を備え、リッジ導波路１４０２のコア部１４０２ａの延長線上に、ミリ波発生媒質となる微小領域１４０３が形成されている。
【００６１】
例えば、リッジ導波路１４０２としてコア部１４０２ａをエッチングなどにより形成するときに、微小領域１４０３が同時に形成された状態とし、この後、形成された微小領域１４０３にＡｕなどがドープされた状態とすればよい。Ａｕがドープされた状態とすることで、リッジ導波路１４０２より出射されるテラＨｚ帯とされたビート波の周波数に等しい角周波数のプラズマ振動を与える条件に整合した数密度の自由電子が、微小領域１４０３内に存在する状態とされていればよい。
【００６２】
リッジ導波路１４０２（コア部１４０２ａ）及び微小領域１４０３は、よく知られた半導体装置を製造するプロセスにおけるリソグラフィー技術及びエッチング技術により加工形成することが可能である。また、リッジ導波路１４０２（コア部１４０２ａ）の端面や微小領域１４０３の側面は、光の反射がない方が好ましく、端面及び側面に４分の１波長の反射防止膜が形成されているようにした方がよい。なお、微小領域１４０３に添加される材料は、Ａｕに限るものではなく、リン（Ｐ）などの、添加されることで電子が放出される不純物であればよい。
【００６３】
図１４に示すミリ波発生装置では、リッジ導波路１４０２に、２つの波長の光が混合された混合光が導入されると、導入された混合波のビート波がリッジ導波路１４０２の光出射側に配置されている微小領域１４０３に照射される。このビート波の照射により微小領域１４０３のキャリア（自由電子）が振動し、微小領域１４０３よりミリ波が発生されるようになる。また、複数のリッジ導波路及びこれに対応する複数の微小領域を設けることで、図１２及び図１３に示したミリ波発生装置と同様の周期配列を持つ形態とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態におけるミリ波発生装置の構成例を示す模式的な断面図である。
【図２】プラズマ振動の原理を説明するための説明図である。
【図３】誘電率の周波数依存性による媒質の特性を示す特性図である。
【図４】ポラリトンの分散の状態を示す分散図である。
【図５】ポラリトンの伝播速度（群速度）の波長依存性を示す特性図である。
【図６】ミリ波を発生させる微粒子における分極振動を２波長のビート波で励振させる原理を説明する説明図である。
【図７】微粒子が１個の場合のミリ波の放射強度分布を示す分布図である。
【図８】配列された複数の微粒子によるミリ波の放射強度分布を示す分布図である。
【図９】配列された複数の微粒子のビート波による励振の位相を各々制御して放射されるミリ波のビームを偏向させた例を示す分布図である。
【図１０】単結晶（完全結晶）半導体への不純物ドーピングの機構を説明するための説明図である。
【図１１】アモルファス半導体への不純物ドーピングの機構を説明するための説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態における他のミリ波発生装置の構成例を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図１３】本発明の実施の形態における他のミリ波発生装置の構成例を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図１４】本発明の実施の形態における他のミリ波発生装置の構成例を示す平面図（ａ），側面図（ｂ），（ｃ）である。
【図１５】負性抵抗を示す半導体のｐｎ接合によりミリ波を発生させる従来のトンネルダイオードのバンド状態を示すバンド図である。
【図１６】トンネルダイオードを用いた従来のミリ波発生装置の構成を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０１…光導波路、１０２…コア、１０３…クラッド、１０４…ミリ波発生媒質、１０５…反射板。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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