(57)【要約】  光伝導アンテナが、光伝導基板上又は光伝導基板内にアンテナ電極のアレイを有する。光伝導基板に、アンテナ電極間のそれぞれの間隙の上方のマイクロレンズを介してパルスレーザからの光を照射する。これにより、光伝導基板が一時的に伝導性になって、テラヘルツ帯の電磁放射の送信に使用できるパルス状の電気アンテナ電流を引き起こす。アンテナのバイアス回路は、一連の連続するコンデンサにわたる容量性電圧分割によってアンテナ電極に印加される電圧を決定するように構成され、各コンデンサは、アレイ内のアンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極のそれぞれの対のアンテナ電極によって、間隙のうちのそれぞれの間隙に隣接するコンデンサのプレートとして形成される。【選択図】図１
2018529226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝導アンテナであって、
光伝導基板と、
前記基板上又は該基板内のアンテナ電極のアレイと、
一連の連続するコンデンサにわたる容量性電圧分割によって前記アンテナ電極に印加される電圧を決定するように構成されたバイアス回路と、
を備え、各コンデンサは、前記アレイ内の前記アンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極のそれぞれの対の前記アンテナ電極によって前記コンデンサのプレートとして形成され、前記それぞれの対の各々の前記アンテナ電極のうちの前記連続するアンテナ電極は、前記アンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極の対間の間隙によって分離され、
前記光伝導アンテナは、更に、
前記光伝導基板を覆って配置された複数のマイクロレンズをさらに備え、各マイクロレンズは、前記間隙のそれぞれの間隙が配置された前記光伝導基板の部分に入射光を集光するように構成される、
ことを特徴とする光伝導アンテナ。
【請求項２】
前記アンテナ電極は、前記光伝導基板を介する以外には互いに電気的に絶縁される、
請求項１に記載の光伝導アンテナ。
【請求項３】
前記それぞれの対の各々の前記アンテナ電極のうちの前記連続する電極は、前記アンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極の対間に前記間隙を残す狭くなった小区分を各々が含むそれぞれのスロットによって分離され、前記スロットは前記小区分の外側よりも狭い、
請求項１又は２に記載の光伝導アンテナ。
【請求項４】
前記アンテナ電極は、該アンテナ電極の対間に間隙の２次元配列を定め、該間隙は、平行な細長いストリップの形の連続するアンテナ電極を分離するそれぞれのスロットの狭くなった小区分に、又は前記間隙間の前記細長いストリップの区分に対応する位置における電極アイランドの２次元配列の電極アイランドの平行な縁部間に形成される、
請求項１から３のいずれか１項に記載の光伝導アンテナ。
【請求項５】
前記光伝導基板を覆って配置された複数のマイクロレンズを備え、各マイクロレンズは、前記間隙のそれぞれの間隙が配置された前記光伝導基板の部分に入射光を集光するように構成される、
請求項３又は４に記載の光伝導アンテナ。
【請求項６】
前記間隙は、少なくとも１マイクロメートルの幅を有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の光伝導アンテナ。
【請求項７】
前記間隙は、少なくとも２マイクロメートルの長さを有する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の光伝導アンテナ。
【請求項８】
前記間隙のうちの連続する間隙間の距離は、少なくとも２０マイクロメートルであり、好ましくは少なくとも４０マイクロメートルである、
請求項１から７のいずれか１項に記載の光伝導アンテナ。
【請求項９】
前記アンテナ電極の各々は、細長いストリップを含む形態を有し、前記アンテナ電極の前記細長いストリップは、該ストリップの長さに沿って互いに並列に延び、スロットによって分離される、
請求項１から８のいずれか１項に記載の光伝導アンテナ。
【請求項１０】
各スロットは、前記アンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極の対間に一連の間隙を残す一連の狭くなった小区分を含み、前記スロットは、前記小区分の外側よりも狭い、
請求項９に記載の光伝導アンテナ。
【請求項１１】
前記アンテナ電極のアレイは、前記光伝導基板上又は該光伝導基板内に導電材料のアイランドの行及び列の２次元配列を含み、前記バイアス回路は、前記配列の第１の行における前記アイランドの第１の電圧と、前記配列の第２の行における前記アイランドの第２の電圧との間の電圧差を印加するように構成され、前記第１及び第２の行は前記配列の両端に位置し、前記配列の各列内の前記アイランドは、該アイランドの平行な縁部間のそれぞれのスロットによって互いに分離されて、前記列における前記アイランドのうちの連続するアイランドの対間に間隙を残す、
請求項１から８のいずれか１項に記載の光伝導アンテナ。
【請求項１２】
前記配列の前記行の方向における前記アイランドの幅は、前記平行な縁部に向かって狭くなる、
請求項１１に記載の光伝導アンテナ。
【請求項１３】
前記光伝導基板に隣接して配置され、前記アンテナ電極を通る電流によって生成される電磁放射線を収集するように構成されたアンテナレンズを備える、
請求項１から１２のいずれか１項に記載の光伝導アンテナ。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の光伝導アンテナを備えた光伝導アンテナシステムであって、光伝導基板に向けられて該光伝導基板の少なくとも前記アンテナ電極間の部分を照射するように構成されたパルスレーザ光源を備える、
ことを特徴とする光伝導アンテナシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝導アンテナアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
光伝導アンテナでは、光パルスを用いてアンテナ内で高周波成分を含む電流を励起する。例えばピコ秒程度の継続時間のレーザパルスを用いて、テラヘルツ帯のスペクトル成分を有する電流を励起することができる。この目的のために、光伝導基板上にアンテナ電極を設け、アンテナ電極間に間隙を設ける。この光伝導基板に、強烈な短レーザパルスを印加する。これらのパルスは、アンテナ電極間の間隙に急激な導電率の増加を引き起こす。
【０００３】
アンテナを送信に使用する際には、電極間にＤＣ電圧を印加して、導電率がパルス状に増加することによってアンテナ電極を通る電流がパルス状に増加するようにする。この電流は、電流増加の急激さに対応する周波数帯のスペクトル成分を有する電磁場の放射をさらに励起する。０．１〜５ＴＨｚのスペクトル成分が可能であることが分かっている。
【０００４】
特開２０１２−０９４７０５号には、光伝導基板上に平行なアンテナ電極ストリップのアレイを備え、ストリップ間に間隙を有する光伝導アンテナが開示されている。この文献では、様々なＤＣ電圧の印可方法が説明されている。１つの実施形態では、ストリップの端部を抵抗性ＤＣ分圧器の連続するタップに接続することにより、連続するストリップ対間に同じ極性の連続する電圧差が印加されるようにする。この文献に記載されるように、同じ極性を使用すると、全ての間隙の放射電磁場が確実に同じ位相を有することにより、側面方向、すなわちアンテナ電極が設けられている基板の平面に対して垂直な方向に放射電磁場が加算されるようになる。
【０００５】
Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、第２２部、第２３号、２７９９２頁（ＥＰＯ参照番号：ＸＰ０５５２７１３７）に発表された、Ａｆｓｈｉｎ  Ｊｏｏｓｈｅｓｈ他による「ナノプラズモニクス強化型テラヘルツ源（Ｎａｎｏｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｓｏｕｒｃｅｓ）」と題する論文には、テラヘルツ源が記載されている。Ｊｏｏｓｈｅｓｈは、電極間の間隙を覆う六角形ナノ構造のアレイを用いてバイアス場及びキャリア密度の増加を可能にすることを開示している。Ｊｏｏｓｈｅｓｈは、間に１００〜２００ナノメートルの間隙を有する約０．５ミクロンのサイズの金属製ナノ六角形のアレイによって５マイクロメートルの双極子間隙を覆う例を示している。六角形の隅部の頂点がバイアス場の方向に沿って互いに向き合ってさらに高い局所的バイアス場を形成し、光キャリアを局在化させる。
【０００６】
２０１１年、第１６回固体センサ、アクチュエータ及びマイクロシステムに関する国際会議（Ｔｒａｎｄｕｃｅｒｓ２０１１）、ＩＥＥＥ２４９８〜２５０１頁（ＥＰＯ参照番号：ＸＰ０３１９１１０５８）に発表された、Ｐａｒｋ他による「高出力テラヘルツ送信のためのナノプラズモニック光伝導アンテナ（Ｎａｎｏｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ａｎｔｅｎｎａ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）」と題する論文には、別のテラヘルツ源が記載されている。Ｐａｒｋは、テラヘルツボウタイアンテナの双極子間隙上に、プラズモン的に適合する金属ナノ構造を統合した。デバイスの励起に使用される光ビームの光波長（８００ｎｍ）にプラズモン共鳴波長を一致させて光の結合効率を高める。
【０００７】
同様に、米国特許出願公開第２０１４／０１９７４２５号には、２Ｄ光結晶構造を用いて光吸収を強化するテラヘルツ波発生器が開示されている。
【０００８】
効率的なアンテナ動作のためには、インピーダンス整合が望ましい。本来知られているように、生成された電圧をアンテナに印加して電磁放射線を放出させるあらゆるアンテナシステムでは、発生器インピーダンスとアンテナインピーダンスとを区別することができる。アンテナインピーダンスの実部に従うエネルギー「散逸」は、放射線の放出によってアンテナから失われるエネルギーに対応し、アンテナ端子間の電圧が電流の増加と共にどのように上昇するかを特徴付ける。発生器インピーダンスは、発生器電圧が電流の増加と共にどのように降下するかを特徴付ける。発生器インピーダンスとアンテナインピーダンスとが同規模でない時にはアンテナ効率が低く、これらが一致する時にはアンテナ効率が最適である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１２−０９４７０５号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０１９７４２５号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ａｆｓｈｉｎ  Ｊｏｏｓｈｅｓｈ他著、「ナノプラズモニクス強化型テラヘルツ源（Ｎａｎｏｐｌａｓｍａｎｏｎｉｃｓ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｓｏｕｒｃｅｓ）」、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、第２２部、第２３号、２７９９２頁
【非特許文献２】Ｐａｒｋ他、「高出力テラヘルツ送信のためのナノプラズモニック光伝導アンテナ（Ｎａｎｏｐｌａｓｍｏｎｉｃ  ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ａｎｔｅｎｎａ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ  ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）」、２０１１年、第１６回固体センサ、アクチュエータ及びマイクロシステムに関する国際会議（Ｔｒａｎｄｕｃｅｒｓ２０１１）、ＩＥＥＥ２４９８〜２５０１頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
アンテナのインピーダンス値は、アンテナの形状に依存するが、ほとんど常にだいたい数百オームの大きさである。光伝導アンテナでは、等価発生器インピーダンスの実部が、連続するストリップ対間の光伝導膜のインピーダンスによって決まる。通常、既知の光伝導アンテナでは、この等価発生器インピーダンスがアンテナインピーダンスよりもはるかに高い。このため、アンテナシステムが非効率的になる。インピーダンス整合を最適化できる、或いはインピーダンスを少なくとも同規模にできる（例えば、いずれにしても発生器インピーダンスとアンテナインピーダンスとの間で係数３以下、好ましくは２以下の）アンテナ設計を有することが望ましいと思われる。先行技術では、この課題が考慮されていない。
【００１２】
とりわけ、改善されたバイアス構造を有する光伝導アンテナを提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
１つの態様によれば、光伝導アンテナであって、
−  光伝導基板と、
−  基板上又は基板内のアンテナ電極のアレイと、
−  一連の連続するコンデンサにわたる容量性電圧分割によってアンテナ電極に印加される電圧を決定するように構成されたバイアス回路と、
を備え、各コンデンサが、アレイ内のアンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極のそれぞれの対のアンテナ電極によってコンデンサのプレートとして形成された光伝導アンテナが提供される。
【００１４】
容量性電圧分割を用いてアンテナ電極にバイアスを掛けることにより、アンテナからの電磁放射線の放出中に全てのアンテナ電流に同じ極性のバイアスが掛かることを容易に保証することができる。１つのアンテナ電極から次のアンテナ電極への連続的な進行波が可能になる。個々の電圧源が異なる電極に接続されておらず、光伝導基板を介した接続以外にアンテナ電極への抵抗接続が存在しない時、或いはアンテナを励起するために使用される光パルス間に、アンテナ電極によって形成されるコンデンサ上の電荷と比べて有意な電荷の流れをもたらす抵抗が少なくとも存在しない時には、印加される電圧が容量性電圧分割によって決定される。容量性電圧分割を使用すると、電圧をＤＣバイアスによって決定する必要がある場合と比べてバイアスが大幅に単純になる。
【００１５】
別の態様によれば、それぞれの対の各々のアンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極は、アンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極の対間の間隙によって分離され、光伝導アンテナは、光伝導基板を覆って配置された複数のマイクロレンズをさらに備え、各マイクロレンズは、間隙のそれぞれの間隙が配置された光伝導基板の部分に入射光を集光するように構成される。マイクロレンズは、間隙内の光強度を上昇させることによって発生器インピーダンスを低下させることができる。
【００１６】
ある実施形態では、それぞれの対の各々のアンテナ電極のうちの連続する電極が、アンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極の対間に間隙を残す狭くなった小区分を各々が含むそれぞれのスロットによって分離され、スロットは小区分の外側よりも狭い。狭くなった間隙を使用すると、アンテナシステムの実効発生器インピーダンスを低下させ、さらにはインピーダンス整合を最適化することもできる。
【００１７】
ある実施形態は、光伝導基板を覆って配置された複数のマイクロレンズを備え、各マイクロレンズは、間隙のそれぞれの間隙が配置された光伝導基板の部分に入射光を集光するように構成される。マイクロレンズは、間隙内の光強度を低下させることによって、発生器インピーダンスを低下させることができる。
【００１８】
ある実施形態では、アンテナ電極の各々が、細長いストリップを含む形態を有し、アンテナ電極の細長いストリップが、ストリップの長さに沿って互いに並列に延び、スロットによって分離される。さらなる実施形態では、各スロットが、アンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極の対間に一連の間隙を残す一連の狭くなった小区分を含み、スロットは、小区分の外側よりも狭い。狭くなった間隙を使用すると、アンテナシステムの実効発生器インピーダンスを低下させ、さらにはインピーダンス整合を最適化することもできる。
【００１９】
ある実施形態では、アンテナ電極のアレイが、光伝導基板上又は光伝導基板内に導電材料のアイランドの２次元配列を含み、バイアス回路が、配列の第１の行におけるアイランドの第１の電圧と、配列の第２の行におけるアイランドの第２の電圧との間の電圧差を印加するように構成され、第１及び第２の行が配列の両端に位置する。これにより、交差電流が最小限に抑えられる。
【００２０】
ある実施形態では、アンテナが、光伝導基板に隣接して配置され、アンテナ電極を通る電流によって生成される電磁放射線を収集するように構成されたアンテナレンズを備える。このアンテナレンズを用いて指向性を高めることができる。
【００２１】
以下の図を参照して行う例示的な実施形態の説明からは、これらの及びその他の目的及び有利な態様が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】光伝導アンテナシステムを示す図である。
【図２】さらなる光伝導アンテナシステムを示す図である。
【図３】アンテナ電極アレイ内の電極の詳細を示す図である。
【図４】結果として得られる電気的概略構造を示す図である。
【図５】別の電極レイアウトの電気的構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、光伝導アンテナシステムの概略図である。このシステムは、パルスレーザ源１０と、光伝導膜１２と、電極１４と、照射レンズ１６と、電圧供給回路１７とを含む。光伝導膜１２及び電極１４は、光伝導アンテナをそのようなものとして形成する。光伝導膜１２は、電極１４のための光伝導基板を形成する。電極１４は、光伝導膜１２と電気的に接触して光伝導膜１２上に設けることも、或いは光伝導膜１２の表面近くなどに埋め込んで光伝導材料によって全ての側面を覆うこともできる。複数の分離した電極１４が使用され、電極１４間には間隙１８が存在する。電圧供給回路１７は、電極１４のうちの最も外側の電極に結合される。照射レンズ１６は、パルスレーザ源１０と電極１４との間に設けられる。照射レンズ１６は、パルスレーザ源１０からの光を間隙１８内に集光するように配置される。光伝導膜１２は、例えばガリウムヒ素半導体層とすることができるが、他のいずれかの光伝導体を使用することもできる。
【００２４】
分離した電極１４の数は、最も左側の電極から最も右側の電極まで測定したアンテナの幅が、アンテナによって送信又は受信されるテラヘルツ放射の波長よりも実質的に大きくなるほどの多さであることが好ましい。これにより、電極１４を用いた指向性アンテナパターンの形成が可能になる。テラヘルツ放射の波長は約１００マイクロメートルであり、従ってアンテナ幅は少なくとも２分の１ミリメートルであることが好ましい。個々の電極１４の幅は、テラヘルツ波長よりも小さくすることができ、間隙１８は、電極１４の幅よりもはるかに小さく、例えば少なくとも１マイクロメートル又は少なくとも２マイクロメートルなどの、例えば間隙１８上に集光できる光点のサイズほどとすることができる。
【００２５】
図２に、キャリア１２０とアンテナレンズ１２２とを含み、キャリア１２０の片面に光伝導膜１２が設けられ、キャリア１２０の反対面にアンテナレンズ１２２が設けられた、さらに複雑な光伝導アンテナシステムを示す。アンテナレンズ１２２は、電極１４と光伝導膜１２とを通る電流によって生じる電磁放射線ビームを狭めるように構成される。この実施形態では、光伝導膜１２、電極１４、キャリア１２０及びアンテナレンズ１２２が、光伝導アンテナをそのようなものとして形成する。
【００２６】
図３に、光伝導膜（図示せず）の表面に対して垂直な方向から見た、アンテナシステムの実施形態における電極１４の詳細を示す。この実施形態では、電極１４が、スロット３２によって分離された細長いストリップである。本明細書で使用する「スロット」という用語は、ストリップ状の導電性構造を分離する空間が（部分的に）光伝導材料で満たされているかどうかに関わらずそのような空間を示すように、アンテナ技術におけるその通常の意味で使用される。本明細書で使用する「スロット」という用語は、光伝導材料が存在しない溝又は空間などの光伝導材料内のいずれかの構造を暗示又は否定するものではなく、光伝導材料は、連続する平坦な表面をアンテナ面内に有することができる。
【００２７】
これらのストリップのうちの少なくとも１つのストリップは、そのストリップに沿った複数の位置に、隣接するストリップに向かって延びる突出部３０を有する。突出部の位置では、スロット３２が狭くなって間隙１８を形成する。図示の実施形態では、これらの狭くなった間隙がストリップの両側の対応する位置に形成されて、ストリップの両側の狭くなった間隙対間の距離が最小になっている。別の実施形態では、ストリップの両側に形成された狭くなった間隙をずらすこともできる。この実施形態は、電極１４を通じて斜め方向にＴＨｚ電流を生成するために使用することができる。しかしながら、最小距離の方が、高出力及び広帯域幅を可能にするので好ましい。
【００２８】
図示のように、ストリップ間の狭くなった間隙の両側のストリップは突出部を有し、これらの突出部間に間隙が生じる。これによって電流は集中しやすくなるが、必須ではなく、別の実施形態では、狭くなった間隙の片側の電極上のみに、狭くなった間隙の反対側の電極の突出部が存在しない直線部分に面する、或いは間隙の反対側の電極内の窪みに面する突出部を設けることもできる。ある実施形態では、間隙内にさらなる導電体材料のアイランドを１つ又は２つ以上存在させることによって、光伝導材料によって架橋される距離をさらに狭めることもできる。しかしながら、（単複の）電極からの（単複の）突出部間の距離全体が光伝導材料によって架橋されることが好ましい。
【００２９】
図４に、結果として得られる電気的概略構造を示し、電圧源４０及びインダクタンス４２によって電圧供給回路を表す。インダクタンス４２は、伝送線路の長さによって形成される実効インダクタンスとすることができる。インダクタンス４２は、パルスレーザ源１０からのパルス継続時間の時間尺度では電圧源４０からの電流の電流変化を打ち消すように機能するが、パルス繰り返しの時間尺度ではそのように機能しない。ある実施形態では、インダクタンスの役割が、少なくともＴＨｚ帯の開回路を提供して、ＴＨｚ電流が電極１４及び光伝導膜１２に結合されたままであるのに対し、例えば１００ＭＨｚの範囲などのパルス繰り返し率の範囲内の周波数では電流が電圧源４０から流れるようにすることである。
【００３０】
光伝導膜に伝導性がなければ、各連続する電極の対は、これらの連続する電極をコンデンサプレートとし、スロットをプレート間の間隙とするコンデンサ構造を形成する。注目すべき点は、最も外側の電極以外の電極が、それらの電位に影響を及ぼす電気的接続部に、コンデンサとしての動作及び光伝導膜を介した接続を通じてしか接続されていない点である。
【００３１】
従って、光伝導膜に伝導性がなく、内部電極に初期有効電荷がなければ、電極１４は、電圧供給回路１７からの電圧を分割する容量性分圧器として動作するように構成される。たとえ光伝導膜が若干の伝導性を有している場合でも、この伝導性と電極１４が形成する静電容量とによって定められる漏れ時定数がレーザパルス間の時間距離（例えば、約１０ナノ秒）よりも小さい時には、電極１４は容量性分圧器として動作する。電極１４は、たとえ最も外側の電極以外の電極が、電位に影響を及ぼす他の電気的接続部に接続されている場合でも、やはり容量性分圧器として動作する。
【００３２】
送信アンテナとしての動作時には、電圧供給回路１７が最も外側の電極間にＤＣ電圧を印加し、パルスレーザ源１０がレーザ光パルスを放射する。ある実施形態では、継続時間がピコ秒未満（例えば、２００フェムト秒）の光パルスを、例えば３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚ、又は５０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚなどの約１００ＭＨｚの繰り返し周波数で使用することができる。各光パルスの期間中には、光伝導膜１２内の可動電荷キャリアが励起することによって、光伝導膜１２の導電率が急速に増加する。この結果、電極１４の接続の抵抗が一時的に低下し、電極１４間の電流が電極１４間の電位差を低下させるようになる。
【００３３】
この電流は、アンテナから放射される電磁場を励起する。急激な電流増加には、電流及び放射電磁場の周波数スペクトルが、光伝導膜１２の導電率及び／又は励起特性の上昇の急激さによって決まる最大周波数に至るまでの幅広い周波数を含むようになるという効果がある。レーザパルス及び光伝導膜１２の急激さは、最大周波数がＴＨｚ帯（例えば、１〜１０ＴＨｚ）に存在するスペクトルの生成を可能にする。最も強い電流密度は、照射レンズ１６によって光が集光される、電場が最も強い突出部３０の位置における間隙に生じる。各パルス後には、光伝導膜１２の導電率が再結合によって低下する。ガリウムヒ素のような光伝導材料を使用して、パルスの終了直後に（例えば、ピコ秒未満内に）光伝導性も低下することが好ましい。これにより、スペクトルの高周波部分が増強される。
【００３４】
パルスレーザ源１０からのパルス間の時間間隔中に光伝導性が低下すると、電極１４は、それぞれが電極とこれらの電極間のスロットとのそれぞれの対に対応する直列接続されたコンデンサとして機能する。パルス間の時間間隔では、光伝導膜１２は、短い時間尺度では無視することができる、コンデンサを通じた漏れ経路ぐらいしか形成しない。この結果、このような時間尺度では、一連の電極１４が、電圧供給回路１７のＤＣ出力電圧をコンデンサに分割する容量性分圧器として機能する。各電極１４は、隣接する電極１４とは逆に蓄積する異極性の電荷の分離によって電気的に分極される。連続する電極１４の全ての対によって形成される静電容量が等しい実施形態では、ＤＣ出力電圧が電極１４にわたって等しく分割される。このようにして、連続するストリップの各対は、電極１４間のスロットを横切って全てが同じ方向を向くバイアス電場を引き起こす同じ電圧差を示す。
【００３５】
パルスレーザ源１０からのレーザ光パルス中には、光伝導膜１２の導電率が増加して、電極１４によって形成されたコンデンサを主に間隙１８を介して少なくとも部分的に放電する電流が光伝導膜１２を通過する。これにより、インダクタンス４２が電圧源４０からの電流変化を可能にしない時間尺度では、最も外側の電極間の全体的な電圧差を含めて電極４間の電圧差が減少する。さらに長い時間尺度では、電圧源４０からの電流が、最も外側の電極間の電圧を上昇させ、容量性分圧器の効果によって、連続する電極１４間の間隙にわたってこの上昇が分布し、次のレーザ光パルス中に使用することができる。電極１４の電圧が最初に静電容量に反比例して分布しなかった場合、この分布は、連続するレーザ光パルスの結果として静電容量に反比例して行われる傾向になる。ある実施形態では、一連の相対的に短いレーザ光パルスの前に１又は２以上の（例えば、少なくとも２倍の長さの）相対的に長いレーザ光パルスを使用して、テラヘルツ放射が生成される一連の相対的に短いレーザ光パルスの前に、容量に反比例した分布が実現されるのを確実にすることができる。
【００３６】
図示の構造は、光伝導材料上及び電極上のいずれのマスクにも再帰することなく、表面上の間隙１８の効率的な分布を可能にする。電流は、全て同じ方向に流れる。結果として、構造上の総電流は、全ての電極をストリップの長さに対して垂直な方向に横切る連続電流と見なすことができる。これにより、アンテナ素子の接続アレイが効果的に実現される。このアレイに沿って、ストリップの長さに対して垂直な方向に電磁表面波が連続的に進むことができる。
【００３７】
アレイ内では、間隙１８が、実質的に周波数に依存しない発生器インピーダンスによって特徴付けられる。本来知られているように、生成された電圧をアンテナに印加して電磁放射線を放出させるあらゆるアンテナシステムでは、発生器インピーダンスとアンテナインピーダンスとを区別することができる。完全に導電性のアンテナ電極を想定すると、アンテナインピーダンスの実部に従うエネルギー「散逸」は、放射線の放出によってアンテナから失われるエネルギーに対応し、アンテナ端子間の電圧が電流の増加と共にどのように上昇するかを特徴付ける。発生器インピーダンスは、発生器電圧が電流の増加と共にどのように降下するかを特徴付ける。発生器インピーダンスの実部とアンテナインピーダンスの実部とが同規模でない時にはアンテナ効率が低く、これらが一致する時にはアンテナ効率が最適である。アンテナのインピーダンス値は、アンテナの形状に依存することができるが、ほとんど常にだいたい数百オームの大きさである。
【００３８】
光伝導アンテナでは、等価発生器インピーダンスが、光パルス中における連続する電極１４の対間の光伝導膜のインピーダンスによって決まる。通常、既知の光伝導アンテナでは、この等価発生器インピーダンスがアンテナインピーダンスよりもはるかに高く、これによってアンテナシステムが非効率的になる。
【００３９】
本実施形態の光伝導アンテナでは、そのインピーダンスが、光パルス中における間隙１８内の光伝導材料のインピーダンスによって決まる。間隙１８によって形成される等価発生器インピーダンスは、レーザ出力及び焦点などの光学パラメータ、電圧供給回路１７からの電圧などの電気パラメータ、並びに間隙寸法、すなわち間隙における（間隙幅と呼ばれる）隣接する電極間の距離及び間隙の長さ（突出部３０の長さ）などの幾何学的パラメータを調整することによって調整することができる。
【００４０】
例示的な実施形態では、波長が７８０ｎｍ、繰り返し率が８２ＭＨｚ、平均出力が１５ｍＷである半値全幅８０ｆｓのパルスを生成するパルスレーザを使用することができる。Ｗ＿ｚ＝１．５μｍの厚み、１０×１０マイクロメートルの間隙サイズ及び対応するレーザスポットサイズ、並びに電極に印加される３０Ｖのバイアス電圧を有するＬＴ−ＧａＡｓ光伝導体を使用することができる。ＬＴ−ＧａＡｓ光伝導体の典型的な電気パラメータ値を仮定すると、比誘電率ε＿ｒ＝１３、吸収係数α＝１０＾６ｍ＾（−１）（記号「＾」は、冪乗を取ることを表し、すなわち１０＾６＝１００００００）、電子及び正孔の飽和速度ｖ＿ｅ＝ｖ＿ｈ＝１０＾４ｍ／ｓ、そしてキャリア寿命τ＿ｅ＝τ＿ｈ＝０．３ｐｓであり、シミュレートした間隙の光伝導挙動は、０．０５ピコ秒以内に約０．０４３ジーメンスでピークに達する。導電率は、約０．３ピコ秒の半値時間で低下し、１．５ピコ秒の時間間隔で約０．０１１ジーメンスの平均導電率を生じる。この結果、（１平方センチメートル当たり０．０８４ミリジュールのレーザフルエンスを仮定すると）発生器インピーダンスは４５７オームになる。
【００４１】
５×５マイクロメートルの間隙サイズと２×２マイクロメートルの間隙サイズの場合、同じ時間尺度での導電率は、それぞれ約０．０１７ジーメンス及び０．００９ジーメンスでピークに達し、この結果、それぞれ平均は約０．００４及び０．００２ジーメンス、発生器インピーダンスは２３０オーム及び９２オームとなる。理解できるように、これによってアンテナインピーダンスと発生器インピーダンスとを一致させることができる。小さな間隙に対するレーザ出力の集束は、高レーザ出力及び／又は高バイアス電圧による損傷のリスクを伴わずにアンテナインピーダンスを適合させるのに適した抵抗値を取得するのに役立つ。
【００４２】
間隙におけるレーザ出力密度が高まると、発生器インピーダンスは低下する。照射レンズ１６は、間隙の外側領域の光強度を犠牲にして間隙１８における光強度を高めることによって等価発生器インピーダンスを低下させる役割を果たす。間隙を狭めてその長さを伸ばしても、発生器インピーダンスは低下する。突出部３０の使用は、間隙の位置におけるスロット内の電流密度を高めることによって等価発生器インピーダンスを局所的に低下させる役割を果たす。間隙の幅（例えば、数マイクロメートル）が関心波長（ＴＨｚ用途では約１００マイクロメートル）よりもはるかに小さい時には、インピーダンスが広帯域幅にわたってほぼ周波数に依存しないことを合理的に期待することができる。例えば、これは０．１〜５ＴＨｚの帯域幅にわたって実現することができる。
【００４３】
本実施形態のアンテナは、間隙１８によって定められる発生器インピーダンスの実部をアンテナインピーダンスの実部に一致させ、これを広周波数帯域にわたって行い、或いは少なくともこれらを同規模（例えば、いずれにしても発生器インピーダンスとアンテナインピーダンスとの間で係数３以下、好ましくは２以下）にすることができる。アンテナインピーダンスと同規模の発生器インピーダンスを提供する能力は、アンテナ効率を大幅に高める。
【００４４】
ある実施形態では、ガリウムヒ素の光伝導材料スラブ（比誘電率１３、光吸収係数１０＾６／ｃｍ、電子及び正孔の飽和速度６×１０＾４ｍ／ｓ、並びにキャリア寿命０．３ピコ秒）を使用することができる。この実施形態では、８００ｎｍの動作波長、２４０ｍＷの光出力、２００ｆｓのパルス幅及び７６ＭＨｚのパルス繰り返し率を有するパルスレーザ源を使用することができる。間隙当たり１８ボルト（すなわち、Ｎｙ＋１個の電極を使用する場合にはＮｙ＊１８Ｖ）を提供する電圧源回路を使用することができる。Ｒｍ＝２０マイクロメートルの半径と０．６２Ｒｍの延長長さ（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ  ｌｅｎｇｔｈ）とを有する照射レンズを使用することができる。
【００４５】
電極の長さに沿った周期がｄｘ、電極に対して垂直な周期がｄｙの周期的な間隙配列を使用することができる（ｄｘ及びｄｙは、例えば４０マイクロメートルに等しく、それぞれ少なくとも２０マイクロメートルであることが好ましく、少なくとも４０マイクロメートルであることがさらに好ましい）。間隙両側の電極間の距離がＷｙ、ストリップの長さ方向の間隙長さがＷｘのマイクロメートル間隙を使用することができる（Ｗｘ及びＷｙは、例えば２マイクロメートルに等しい）。この結果、間隙容量値は数フェムトファラッド（１〜１０ｆＦ）程になる。
【００４６】
導電性ストリップの形のＮｙ＋１個の電極のアレイをスラブ上に配置する。全ての連続するストリップの対間には、Ｎｘ個の間隙が存在する。一例として、Ｎｙ＝１３及びＮｙ＝１３である。連続するストリップの各対は、間隙の外側に幅Ｗｓのスロットを形成する（例えば、Ｗｓ＝１５マイクロメートル）。従って、スロットの総数はＮｙである。間隙は、スロットを周期的にテーパ付けすることによって取得される。連続するストリップの中心間の距離はｄｙであるのに対し、各スロットに沿った連続する間隙の中心間の距離はｄｘである。従って、この接続アレイの基本セルは、ｄｘ＊ｄｙの寸法を有する。
【００４７】
このストリップの構成は、接続されたスロットのアレイを実現する。スロットの間隙、並びに接続アレイのｘ及びｙに沿った周期は、各アレイ素子にとって望ましい入力インピーダンスを取得するように設計される。さらに、これらは、光伝導体の励起時に高電流強度が得られるように、各間隙上に高バイアス電場を有するように設計される。レーザ及び照射レンズのアレイによって供給される光出力をアレイの実質的に間隙内のみに供給して効率的に使用するために。この結果、推定発生器等価抵抗が、アンテナインピーダンスと同規模の２２０オームになった。テラヘルツ出力の放射を最大化しなければならない時には、アンテナインピーダンスに匹敵する値の実際の等価インピーダンス発生器を取得するために、供給間隙の幾何学的形状及び光学設計の微調整が不可欠である。しかしながら、多くの場合には準最適な出力で十分となり得る。光伝導性スラブのストリップが配置されている表面とは反対側の表面には、接続アレイからの放射出力を取得するためのシリコンアンテナレンズを配置した。半径Ｒ＝２ｍｍ、延長長さＥ＝０．３Ｒのアンテナレンズを使用することができる。
【００４８】
参考までに、光伝導アンテナは、入射電磁放射が間隙を横切る電場を発生させることによって電流に影響が及ぶという事実を利用して受信アンテナとして使用することもできる。媒体を介した透過後及び／又は反射後に受信アンテナが送信アンテナからの放射を受け取る時には、同じ光パルスを互いに遅延させて送信アンテナ及び受信アンテナ（又は送信アンテナと受信アンテナの両方として機能する同じアンテナ）に印加するシステムを使用することができる。パルス間の一連の異なる遅延に対する電磁放射の影響を測定することにより、スペクトル的に分解された透過及び／又は反射の測定値を取得することができる。さらに、提案する光伝導性接続アレイは、受信信号対雑音比を著しく増加させる。超広帯域ＴＨｚ放射の受信機としても適する手段である。受信機は、ＤＣバイアススキームを使用しない提案する同じ構造を単純に使用し、これらを電流計に直接接続して出力電流を読み取ることで取得することができる。
【００４９】
図５に、最も外側の電極５０を除く全ての電極を連続ストリップの代わりに一連のアイランド５２に縮小した別の電極構成を示す。アイランド５２には、突出部３０が配置される。電気的に見れば、図４と図５の動作は非常に類似する。いずれの図でも、パルスレーザ源１０からの光パルス間の時間間隔において、主に間隙１８に沿って容量性電荷が蓄積する。同様に、いずれの図でも、パルス中の電流は、主に間隙において電極の両側の間隙間の電極本体の一部を通って流れる。これらの効果のために、アイランド５２間の側電極は不要である。
【００５０】
図４の実施形態と図５の実施形態の違いは、図５の実施形態では複数の並列な容量性分圧器が存在するのに対し、図４では並列な容量性分圧器が１つしか存在しない点、或いは同等に複数の並列な容量性分圧器間に横結合が存在する点である。これにより、異なる容量性分圧器の電圧分布が等しくなる。しかしながら、製造公差が非常に小さく保たれることによって間隙の静電容量が大幅に異ならない場合には、図５においても等しい電圧分布を保証することができる。図５の実施形態では、ＴＨｚ電流の空間的制限を厳密化することができ、これによってアンテナの帯域幅及び効率を改善することができる。
【００５１】
１つの実施形態では、光伝導アンテナであって、
−  光伝導基板と、
−  基板上又は基板内のアンテナ電極のアレイと、
−  一連の連続するコンデンサにわたる容量性電圧分割によってアンテナ電極に印加される電圧を決定するように構成されたバイアス回路と、
を備え、各コンデンサが、アレイ内のアンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極のそれぞれの対のアンテナ電極によってコンデンサのプレートとして形成される光伝導アンテナが提供される。さらなる実施形態では、アンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極の対間の間隙が、少なくとも１マイクロメートルの幅を有する。間隙は、少なくとも２マイクロメートルの長さを有することができる。これらの間隙のうちの連続する間隙間の距離は、少なくとも２０マイクロメートルであり、好ましくは少なくとも４０マイクロメートルとすることができる。
【００５２】
さらなる実施形態では、それぞれの対の各々のアンテナ電極のうちの連続する電極が、アンテナ電極のうちの連続するアンテナ電極の対間に間隙を残す狭くなった小区分を各々が含むそれぞれのスロットによって分離され、スロットは小区分の外側よりも狭い。
【図１】
2018529226.tif 000003
【図２】
2018529226.tif 000004
【図３】
2018529226.tif 000005
【図４】
2018529226.tif 000006
【図５】
2018529226.tif 000007
【国際調査報告】
2018529226.tif 000008
2018529226.tif 000009
2018529226.tif 000010