(57)【要約】【課題】ノイズの少ないテラヘルツ波を発生させることが可能なテラヘルツ波発生装置を提供する。【解決手段】ＧａＡｓ基板１０１上に１対の電極（ダイポールアンテナ１０２）がギャップＧを設けて形成されてなる光伝導アンテナ１０と、ダイポールアンテナ１０２に直流電圧を印加するバイアス電源２０と、ダイポールアンテナ１０２のギャップＧに波長１４９０〜１６４０ｎｍの光パルスを照射する光照射手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上に１対の電極がギャップを設けて形成されてなるアンテナと、
前記１対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記アンテナのギャップに波長１４９０〜１６４０ｎｍの光パルスを照射する光照射手段と、
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】
前記光照射手段は、前記１対の電極の両方または一方の近傍のみに前記光パルスを照射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３】
前記光パルスのビーム径は、前記ギャップの離間距離よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項４】
前記アンテナはダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
前記電圧は直流電圧であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波（ミリ波・サブミリ波を含む周波数３０ＧＨｚ〜１２ＴＨｚの電磁波）の特徴として、高い空間分解能を有すること、赤外線や可視光に比べると波長が長いため空間伝搬時の塵や煙、炎などによる散乱が小さいこと、有害物質や有毒ガスなどの吸収スペクトルがサブミリ波帯にあるためこれらの物質を検知可能であること、などが挙げられる。テラヘルツ波は、これまで未開拓領域の電磁波と呼ばれてきたが、工業、医療、バイオ、セキュリティ等の様々な分野での応用が期待されており、テラヘルツ波の発生方法と検出方法について、活発な技術開発が行われている。
【０００３】
テラヘルツ波の発生技術については、半導体基板上にダイポールアンテナを形成して光伝導アンテナとし、この光伝導アンテナにバイアス電界を印加するとともにフェムト秒の光パルスを照射する、という方式が知られている。この方式によれば、光パルスによって半導体基板中に生じたキャリアがバイアス電界により移動し、瞬時的な電流が形成される。この瞬時的な電流が、テラヘルツ波の発生源となるのである。
【０００４】
ここで、上記方式で用いられるフェムト秒光パルスとしては、従来、波長が約０．８μｍのモードロックチタンサファイヤレーザが一般的であったが、最近では通信用の１．５μｍ帯のフェムト秒レーザも開発されており、この１．５μｍ帯のフェムト秒レーザをテラヘルツ波発生に利用することが検討されている。一例として、非特許文献１には、ＩｎＧａＡｓ基板により構成された光伝導アンテナに対して１．５μｍ帯のフェムト秒光パルスを照射することで、テラヘルツ波の発生が可能であることが報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】A.Takazato, et., ”Detection of terahertz waves using low-temperature-grown InGaAs with 1.56um pulse excitation” ,APPLIED PHYSICS LETTERS, 90,101119 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１の報告例では、光伝導アンテナを構成する基板にＩｎＧａＡｓ基板を用いているため、光パルスにより生じたキャリアに対する基板の電気抵抗値が低く、その結果として、発生したテラヘルツ波にノイズが多く含まれてしまう、という問題がある。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノイズの少ないテラヘルツ波を発生させることが可能なテラヘルツ波発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ＧａＡｓ基板上に１対の電極がギャップを設けて形成されてなるアンテナと、前記１対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記アンテナのギャップに波長１４９０〜１６４０ｎｍの光パルスを照射する光照射手段と、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。
【０００９】
また、上記テラヘルツ波発生装置において、前記光照射手段は、前記１対の電極の両方または一方の近傍のみに前記光パルスを照射することを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波発生装置において、前記光パルスのビーム径は、前記ギャップの離間距離よりも小さいことを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波発生装置において、前記アンテナはダイポールアンテナであることを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波発生装置において、前記電圧は直流電圧であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるテラヘルツ波発生装置は、光伝導アンテナを構成する半導体基板としてＧａＡｓ基板を用いている。ＧａＡｓ基板はＩｎＧａＡｓ基板よりも電気抵抗値が高い。したがって、本発明によるテラヘルツ波発生装置はノイズの少ないテラヘルツ波を発生させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態によるテラヘルツ波発生装置の構成を示す図である。
【図２】光パルスをダイポールアンテナのギャップに照射した様子を示す図である。
【図３】テラヘルツ波を発生させた実験結果の例を示す図である。
【図４】テラヘルツ波を発生させた実験結果の例を示す図である。
【図５】ダイポールアンテナの変形例を示す図である。
【図６】テラヘルツ波発生装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態によるテラヘルツ波発生装置１の構成を示す図である。テラヘルツ波発生装置１は、光伝導アンテナ１０とバイアス電源２０を有する。
【００１３】
光伝導アンテナ１０は、低温（３００℃程度以下）でＧａＡｓ膜を成長させたＧａＡｓ基板１０１の一方の面Ｍ１上に、ダイポールアンテナ１０２を形成した構成である。ダイポールアンテナ１０２には、バイアス電源２０が接続される。このバイアス電源２０によって、ダイポールアンテナ１０２のギャップＧ間に直流のバイアス電界を印加する。また、ＧａＡｓ基板１０１のダイポールアンテナ１０２が形成された面Ｍ１側から、フェムト秒の光パルスをダイポールアンテナ１０２のギャップＧに照射する。すると、ＧａＡｓ基板１０１内には光パルスによって寿命が〜３００ｆｓ程度のキャリア（自由電子）が生成され、このキャリアが直流バイアス電界により加速されて、〜ｐｓ程度の時間幅を有するパルス状の瞬時電流が生じる。この瞬時電流によって、瞬時電流の時間微分に比例した強度分布を持つ電磁波、すなわちテラヘルツ波が放射される。ＧａＡｓ基板１０１は従来用いられていたＩｎＧａＡｓ基板よりも電気抵抗値が高いため、ノイズの少ないテラヘルツ波を得ることが可能である。
【００１４】
キャリアを生成するための光パルスは、１．５μｍ帯（１４９０ｎｍ〜１６４０ｎｍ）のフェムト秒パルスレーザ光（パルス幅：〜１００ｆｓ）を用いる。この光パルスは、不図示のレンズ等の集光手段によって、ダイポールアンテナ１０２のギャップ間隔Ｌｇより小さいスポットに集光されて、ダイポールアンテナ１０２のギャップＧへ照射される。
【００１５】
図２に、光パルスをダイポールアンテナ１０２のギャップＧに照射した様子を示す。同図に示されるように、ダイポールアンテナ１０２は、ダイポール長Ｌｄが例えば５０μｍであり、電極間のギャップ間隔Ｌｇが例えば１０μｍである。そして、光パルスは、スポットが例えば５μｍ（＜Ｌｇ）程度に絞り込まれて、ダイポールアンテナ１０２のプラス側の電極１０２Ａにスポットの一部がオーバーラップするようにして照射される。
【００１６】
このとき、ＧａＡｓ基板１０１の光パルスが照射された領域、すなわちダイポールアンテナ１０２のプラス電極１０２Ａ近傍に、自由電子がキャリアとして生成され、生成された自由電子は直流バイアス電界によってプラス電極１０２Ａへ引き寄せられて、テラヘルツ波の放射源である瞬時電流ｊを生じさせる。このように、テラヘルツ波はダイポールアンテナ１０２の一方の電極近傍の局所的な瞬時電流ｊによって発生するため、光パルスを照射するのは、必ずしもダイポールアンテナ１０２のギャップＧの全体（両方の電極１０２Ａ，１０２Ｂに光パルスのスポットが重なるように）ではなく、キャリアがバイアス電界で移動していく方の電極近傍だけでよい。
【００１７】
よって、光パルスは、ダイポールアンテナ１０２のギャップＧの大きさによらず、ギャップＧよりも小さなスポットに集光して光伝導アンテナ１０に照射することができ、これにより、テラヘルツ波の発生効率を向上させることができる。その理由は、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーは波長１．５μｍ帯の光子エネルギーの約２倍であり、ＧａＡｓ基板１０１中では二光子吸収過程によってキャリア（自由電子）が励起されるので、光パルスのパワー密度を高くするほど、発生するキャリア数が増加するからである。
なお、光子エネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーと同程度の波長帯、例えば波長７８０ｎｍの光パルスを用いた場合には、二光子吸収過程が起きないため、光パルス照射により発生するキャリア数は光パルスのパワー密度に無依存となる。
【００１８】
図３，図４に、波長１５６０ｎｍの光パルスを用いてテラヘルツ波を発生させた実験結果の例を示す。実験は、光パルスのスポット（ビーム径φ）をそれぞれ６．９μｍ，３．５μｍ，３．０μｍに集光して図２のように光伝導アンテナ１０に照射して行った。但し、光パルスのパワーは一定とした。図３は、発生したテラヘルツ波の時間波形を計測したものであり、横軸は時間、縦軸はテラヘルツ波検出装置でテラヘルツ波を計測して得られた電流値（テラヘルツ波の強度に相当）を表す。図４は、図３の時間波形の振幅（ピークとピークの差）を縦軸にとり、ビーム径を横軸にとったものである。図３，図４から、光パルスのスポットを小さくするほど、すなわち、光パルスのパワー密度が高いほど、発生するテラヘルツ波の強度を大きくすることができることが分かる。
【００１９】
図５（Ａ），（Ｂ）に、本実施形態によるテラヘルツ波発生装置１の光伝導アンテナ１０に適用可能なダイポールアンテナの変形例を示す。同図（Ａ）はボウタイ型、同図（Ｂ）はスパイラル型の構成である。なお、光伝導アンテナ１０の形状はこの例に限定されず、光パルスが照射される領域において電極間にギャップを有するものであればよい。
【００２０】
図６に、テラヘルツ波発生装置の変形例を示す。光パルスは、シングルモード光ファイバ、ＧＲＩＮコリメータレンズ、ＧＲＩＮコンデンサレンズを介してＧａＡｓ基板１０１上のダイポールアンテナ１０２のギャップに照射される。発生したテラヘルツ波は、半球レンズを介して外部へ取り出される。
このように光ファイバ、レンズ、および基板を一体化した構成、すなわち空間系とは異なるインライン型の構成を用いて光パルスを入射させることで、非常に微細な金属パターンであるダイポールアンテナへの異物の混入を防ぎ、短絡等の不具合を防止することができる。また、基板へ照射される光パルスは基板上のミクロンオーダーの微小部分に照射する必要があるため高精度で安定した光学系が要求されるが、本構成のように各部品が接着剤等で強固に固定されることで、基板へ照射される光パルスの位置ずれを抑制することができる。
【００２１】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【符号の説明】
【００２２】
１…テラヘルツ波発生装置  １０…光伝導アンテナ  ２０…バイアス電源  １０１…ＧａＡｓ基板  １０２…ダイポールアンテナ
【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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