(57)【要約】本発明は、所与の共振周波数が１００ギガヘルツ以上であるインダクタンス／キャパシタンス型三次元電磁共振器（１）に関し、分離層（４）と、導電材料からなり２つの重なり合う部分（３１、３２）を含む第１導電路（３）と、導電材料からなり２つの重なり合う部分（５１、５２）を含むとともに誘電ループ（５３）が前記２つの重なり合う部分（５１、５２）を接続する第２導電路（５）と、を備える。前記第１導電路（３）と前記第２導電路（５）とはそれぞれ前記分離層（４）の両面に形成され、前記第１導電路（３）の前記重なり合う部分（３１、３２）の各々が前記第２導電路（５）の前記重なり合う部分（５１、５３）とそれぞれ向かい合うように配置されることで、２つのキャパシタンス（Ｃ１、Ｃ２）が互いに離間して形成される。【選択図】図１
2018512764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所与の共振周波数が１００ギガヘルツ以上であるインダクタンス／キャパシタンス型三次元電磁共振器（１）であって、
導電材料からなる第１導電路（３）と、
導電材料からなる第２導電路（５）と、
前記第１導電路（３）と前記第２導電路（５）との間に位置する量子へテロ構造を備え、両面にそれぞれ前記第１導電路（３）及び前記第２導電路（５）が形成される分離層（４）と、を備え、
前記第１導電路（３）は、２つの重なり合う部分（３１、３２）を含み、前記第２導電路（５）は２つの重なり合う部分（５１、５２）を含み、誘電ループ（５３）が前記２つの重なり合う部分（５１、５２）を接続し、前記第１導電路（３）の前記重なり合う部分（３１、３２）の各々が前記第２導電路（５）の前記重なり合う部分（５１、５３）とそれぞれ向かい合うように配置されることで、２つのキャパシタンス（Ｃ１、Ｃ２）が互いに離間して形成され、前記誘電ループ（５３）は該誘電ループ内及び導電路の周囲に磁場（Ｈ）を発生させることに適しており、各キャパシタンスは前記分離層（４）内に電場（Ｅ）を発生させることに適しており、
前記第１導電路（３）及び前記第２導電路（５）は、
有限であり、
前記重なり合う部分（３１、３２、５１、５２）が前記第１導電路（３）の中間部（３３）と前記第２導電路（５）の長手方向ブランチ（５５、５６）の第１端部（３１、５１）と第２端部（３２、５２）となるように、互いに対して配置され、
第１キャパシタンス（Ｃ１）を形成する前記２つの第１端部（３１、５１）と、前記２つの第２端部（３２、５２）とが、前記第２キャパシタンス（Ｃ２）によって発生する前記電場とは逆符号の電場（Ｅ）を発生させることに適した第２キャパシタンス（Ｃ２）を形成し、
前記共振器が前記共振周波数で励起されているときに、前記電場を前記重なり合う部分（３１、３２、５１、５２）に限定する
ことを特徴とする共振器。
【請求項２】
前記誘電ループ（５３）によって前記分離層（４）に発生する前記磁場（Ｈ）は、前記キャパシタンスによって発生する前記電場（Ｅ）に平行な方向に延在する主成分を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の共振器。
【請求項３】
前記キャパシタンスの各々によって発生する前記電場（Ｅ）は、前記分離層（４）の厚さの方向（ｚ）と平行な方向に延在する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の共振器。
【請求項４】
前記電場（Ｅ）によって発生する電気エネルギーの少なくとも７０％は、前記第１導電路（３）と前記第２導電路（５）の前記重なり合う部分（３１、５１、３２、５２）の間の前記分離層（４）の領域に位置している
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項５】
前記第２導電路（５）の前記重なり合う部分（５１、５２）は離間距離（Ｌｘ）にて互いから離間しており、前記誘電ループ（５３）は長手方向寸法（Ｌｙ）を有し、前記重なり合う部分の各々は長さ（Ｗ）及び幅（ｙ）を有し、ｃを真空における光の速さ、ｆｒｅｓを前記共振器の前記共振周波数としたとき、共振波長λはｃ／ｆｒｅｓと等しく、Ｌｘ＋２Ｙ及びＬｙ＋Ｗ＋Ｙは前記共振波長λより小さい
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項６】
ｃを真空における光の速さ、ｆｒｅｓを前記共振器の前記共振周波数とし、ｎを前記分離層（４）の屈折率、λを共振波長としたとき、λはｃ／ｆｒｅｓと等しく、前記分離層の厚さ（Ｔ）はλ／２ｎより小さい
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項７】
前記導電路のうち一方の導電路の前記長手方向ブランチは横手方向の延長部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項８】
ｎを前記分離層（４）の屈折率、λを共振波長、ｃを真空における光の速さ、ｆｒｅｓを前記共振器の共振周波数としたとき、λはｃ／ｆｒｅｓと等しく、前記第１導電路（３）の重なり合う部分（３１、３２）と前記第２導電路（５）の重なり合う部分（５１、５２）の間に位置してキャパシタンスを形成する前記分離層（４）の各領域は、（λ／２ｎ）３以下の体積を有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項９】
前記第１導電路（３）は直線形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１０】
前記キャパシタンス（Ｃ１、Ｃ２）の寸法及び配置と前記誘電ループ（５３）の寸法及び配置とは、前記分離層（４）の中間面（ｘ、ｙ）に沿って、前記分離層（５）の厚さ（ｚ）の方向に対して垂直に、前記共振周波数（ｆｒｅｓ）で離間し、前記電場（Ｅ）及び前記磁場（Ｈ）の主成分は前記厚さ（ｚ）の方向に沿って延在している
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１１】
前記第２導電路は２つの平行なブランチ（５５、５６）を有するＵ字状であり、前記重なり合う部分（５１、５２）は前記Ｕ字状のブランチの端部にそれぞれ位置する
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１２】
前記第２導電路（５）は非対称形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１３】
前記共振器は、前記第１導電路及び前記第２導電路とともに配置され、ｐ対（ｐは４以上の数）のキャパシタンスを形成する少なくとも一つの第３導電路を備える
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１４】
前記第２導電路（５）に容量結合または誘電結合された金属製パターン（６、７、８）を備え、該金属製パターン（６、７、８）は前記共振器に照射される電磁放射（Ｒ）の集光に適している
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の共振器（１）を複数備える電気共振アセンブリであって、第１導電体が複数の前記第１導電路（３）を電気的に接続し、第２導電体が複数の前記第２導電路（５）を電気的に接続する
ことを特徴とする電気共振アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波数（１００ＧＨｚ以上）用インダクタンス／キャパシタンス型三次元電気共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
開放環形状の金属導電路を備える「スプリットリング」型の共振器が知られている。このようなマイクロメーターサイズの共振器は、ＬＣ（インダクタンス／キャパシタンス）型電気共振器として機能する。金属導電路のループ形状の部分が、インダクタンスＬを構成する。ループ形状の部分は、互いに面して配置されてキャパシタンスＣを形成する２つの端部の間に延在している。
【０００３】
このような共振器は、とくにメタマテリアル、すなわち、負の屈折率を有する材料など、自然の材料には存在しない電磁性質を有する材料を、例えば所定の共振周波数で製造するために利用される。
【０００４】
しかし、一般的に、これらのスプリットリング型共振器は、共振器がその上に形成される半導体基板に対する結合キャパシタンスが低い。
【０００５】
実際、キャパシタンス領域（ループの端部の間）に生じる電場は、主に基盤の表面と平行な方向に延在する。そのため、キャパシタンス領域に生じる電場はループによって生じる磁場に垂直であり、伝播作用を高める。また、キャパシタンス領域に生じる電場のうち、半導体基板と結合しているのは、漏洩電場に対応するごく一部分だけである。
【０００６】
Ｂ．ポリロ（Ｂ．  Ｐａｕｌｉｌｌｏ）他著、「回路調整可能な回路調整可能なサブ波長テラヘルツ共鳴器：ハイブリッド光学キャビティとループアンテナ（Ｃｉｒｃｕｉｔ−ｔｕｎａｂｌｅ  ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ＴＨｚ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ：  ｈｙｂｒｉｄｉｚｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｉｅｓ  ａｎｄ  ｌｏｏｐ  ａｎｔｅｎｎａｓ）」、オプティクス・エクスプレス（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ）、２０１４年９月８日、ｖｏｌ．  ２２、  ｎｏ．  １８は、互いに面して設けられる２つの金属層と、該２つの金属層を接続するループアンテナとを備える共振器を開示している。２つの金属層はキャパシタンス領域を形成し、ループアンテナがインダクタンス領域を形成し、これにより、共振器はＬＣ回路として機能する。ループアンテナは、現在エアブリッジ構造を製造するために用いられているマイクロマシニングによって施工可能なサスペンデッドメタライゼーションによって形成される。共振器の共振周波数は、ループアンテナまたは金属層の幾何学的パラメータを変更することによって調整することができる。キャパシタンス領域は活物質を収容していてもよく、エミッタ（例えば単極性量子カスケードレーザ（ＱＣ））、検出器（量子井戸型赤外線センサ（ＱＷＩＰ））、または吸収体（ポラリトン応用量子井戸）であってもよい。
【０００７】
この文献が提案する共振器は、キャパシタンス領域で生じる電場が主に活物質に位置し、これにより共振器と活物質との結合が改善するという点で有利である。
【０００８】
しかし、キャパシタンス領域に生じる電場はループによって生じる磁場に垂直であるため、伝播作用が排除されない。
【０００９】
また、共振器を電流発生器に接続することや、共振器から取り出された電流を検出するために電流検出器に接続することが難しい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、改善された結合キャパシタンスを有し、高周波数（１００ギガヘルツ以上）で動作可能な共振器を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、電流発電機または電流検出器と容易に接続できる共振器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、本発明において、次のインダクタンス／キャパシタンス型三次元電気共振器によって実現される。インダクタンス／キャパシタンス型三次元電気共振器は、所与の共振周波数が１００ギガヘルツ以上であり、
分離層と、
導電材料からなり、前記分離層の両面にそれぞれ形成される第１導電路と及び第２導電路と、を備え、
前記第１導電路は２つの重なり合う部分を含み、
前記第２導電路は２つの重なり合う部分を含み、誘電ループが前記２つの重なり合う部分を接続し、
前記第１導電路の前記重なり合う部分の各々が前記第２導電路の前記重なり合う部分とそれぞれ向かい合うように配置されることで、２つのキャパシタンスが互いに離間して形成され、
前記共振器が前記共振周波数で励起されているときに、前記誘電ループは該誘電ループ内及び導電路の周囲に磁場を発生させることに適しており、各キャパシタンスは前記分離層内に電場を発生させることに適している。
【００１３】
このような装置によれば、分離層において誘電ループによって発生する磁場は、キャパシタンスによって発生する電場に平行な方向の主成分を有する。すなわち、分離層において電場Ｅの方向における磁場Ｈの投影の絶対値は、磁場Ｈのその他の投影より大きい。
【００１４】
この特徴は伝播作用を排除する。したがって、共振器は、準安定状態で機能する。この状態において、共振器の寸法を、共振器の共振波長に対して非常に小さくすることができる。
【００１５】
「準安定状態」において、磁場源は基本的に導電材料からなる導電路を流れる電流であり、経時的な電場の変化（いわゆる「変位電流」）ではない。
【００１６】
準安定状態を得るため、共振器の大きさは共振波長より小さくする必要がある。また、所与の寸法において、準安定モードが望ましいのは、構造設計によって、電場Ｅと磁場Ｈが平行になること及び／または異なる体積に配置されることが抑制される場合である。
【００１７】
また、このような共振器において、２つの導電路は電流発電機または電流検出器に容易に接続することができる。
【００１８】
各キャパシタンスによって発生する電場は、分離層の厚さ方向と平行な方向に延在し、これにより活物質が分離層に統合される。
【００１９】
共振器のインダクタンス及びキャパシタンスは、互いに独立して調整することができ、これによって好ましい共振周波数が得られる。とくに、分離層の狭小領域に電場を集中させるように重なり合う部分の寸法を小さくすることにより、これらの領域において強力な電場を得ることができる。
【００２０】
共振器は、さらに次の特徴を備えていてもよい。
・前記分離層は、前記第１導電路の重なり合う部分と前記第２導電路の重なり合う部分との間に位置する量子へテロ構造を備える。
・前記量子ヘテロ構造には、第１半導体材料と第２半導体材料とが交互に位置するように積層され、第２半導体材料は第１半導体材料とは異なり、積層された各層は前記分離層の厚さ方向と垂直に延在する。
・前記第１半導体材料及び前記第２半導体材料は、ＧａＡｓ及びＧａ１−ｘＡｌｘＡｓ、ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ及びＡｌＳｂ、ＧａＮ及びＡｌＧａＮ、ＧａＮ及びＩｎＧａＮ、または、周期表における周期番号ＩＩＩ〜Ｖの元素とＳｉ、Ｇｅ、Ｃなどの元素からなるその他の任意の合金の組み合わせから選択される。
・さらに、前記第１半導体材料及び前記第２半導体材料は周期表における周期番号ＩＩ〜ＶＩの元素からなる合金、例えばＨｇＴｅから選択されてもよい。
・前記電場によって発生する電気エネルギーの少なくとも７０％は、前記第１導電路と前記第２導電路の前記重なり合う部分の間に位置する前記分離層の領域に位置している。
・前記分離層は、前記キャパシタンスのうち一方を形成する前記第１導電路と前記第２導電路の前記重なり合う部分の間に位置する第１領域において第１厚さを有し、前記キャパシタンスのうち他方を形成する前記第１導電路と前記第２導電路の前記重なり合う部分の間に位置する第２領域において第２厚さを有し、第１厚さと第２厚さとは異なる厚さである。
・前記第２導電路の前記重なり合う部分は、離間距離を有して互いに離間して配置され、前記分離層の厚さは該離間距離以下である。
・前記第２導電路の前記重なり合う部分は離間距離Ｌｘにて互いから離間しており、前記誘電ループは長手方向寸法Ｌｙを有し、前記重なり合う部分の各々は長さＷ及び幅Ｙを有する。ｃを真空における光の速さ、ｆｒｅｓを前記共振器の前記共振周波数としたとき、共振波長λはｃ／ｆｒｅｓと等しく、Ｌｘ＋２Ｙ及びＬｙ＋Ｗ＋Ｙは前記共振波長λより小さい。
・ｃを真空における光の速さ、ｆｒｅｓを前記共振器の前記共振周波数とし、ｎを前記分離層の屈折率、λを共振波長としたとき、λはｃ／ｆｒｅｓと等しく、前記分離層の厚さはλ／２ｎより小さい。
・前記共振周波数は１００ギガヘルツ以上であり、該共振周波数において前記共振器は準安定状態で動作する（「準安定状態」において、磁場源は基本的に導電路を流れる電流であり、経時的な電場の変化（いわゆる「変位電流」）ではない。）
・前記共振器は、０．１以上３００テラヘルツ以下の一または複数の共振周波数を有する。
・ｎを前記分離層の屈折率、λを共振波長、ｃを真空における光の速さ、ｆｒｅｓを前記共振器の共振周波数としたとき、λはｃ／ｆｒｅｓと等しく、前記第１導電路の重なり合う部分と前記第２導電路の重なり合う部分の間に位置し、キャパシタンスを形成する前記分離層の各領域は、（λ／２ｎ）３以下の体積を有する。
・前記第１導電路は直線形状を有する。
・前記第２導電路は２つの平行なブランチを有するＵ字状であり、前記重なり合う部分は前記Ｕ字状のブランチの端部にそれぞれ位置する。
・前記第２導電路は非対称形状を有する。
・各導電路は、共振器に供給される電流発電機または共振器から取り出される電流を検出するための電流検出器に導電路を接続するための延長部を有する。
・前記共振器はアンテナを形成するとともに第２導電路に容量結合または誘電結合された金属パターンを有し、該金属パターンは前記共振器に照射される電磁放射の集光に適している。
【００２１】
また、本発明は、上述の共振器を複数備える電気共振アセンブリであって、第１導電体が複数の前記第１導電路を電気的に接続し、第２導電体が複数の前記第２導電路を接続することを特徴とする電気共振アセンブリに関する。
【００２２】
その他の特徴及び効果は以下の説明によって明らかにされるが、この説明はあくまで例示的であって非限定的であり、下記添付図面と関連して考慮されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る共振器を概略的に示す図である。
【図２】共振器の寸法を概略的に示す図である。
【図３】共振器によって発生する磁場と電場を概略的に示す図である。
【図４】共振器の第１例について、平面（ｘ、ｙ）上に発生する電場の分布を示す図である。
【図５】共振器の第１例について、平面（ｘ、ｙ）上に発生する磁場の分布を示す図である。
【図６】ＳｉＯ２からなる分離層と金からなる金属部品を備えるＧａＡｓ製の基盤上に設けられた共振器の一例を概略的に示す図である。
【図７】共振器のマトリックスを概略的に示す図である。
【図８Ａ】異なるパラメータセットを持つ共振器のマトリックスについて取得した透過スペクトルである。
【図８Ｂ】異なるパラメータセットを持つ共振器のマトリックスについて取得した透過スペクトルである。
【図８Ｃ】異なるパラメータセットを持つ共振器のマトリックスについて取得した透過スペクトルである。
【図９】形状の異なる共振器について測定した共振周波数を、３つのファミリーに振り分けて示す図である。
【図１０】共振器の３つのファミリーについて、実験的に得た周波数とデジタルシミュレーションによって求めた対応する共振周波数とを示す図である。
【図１１Ａ】同等の電気回路を概略的に示す図である。
【図１１Ｂ】同等の電気回路を概略的に示す図である。
【図１１Ｃ】同等の電気回路を概略的に示す図である。
【図１２】第１量子構造を備える共振器を概略的に示す図である。
【図１３】第２量子構造を備える共振器を概略的に示す図である。
【図１４】共振器の導電路に誘電結合された第１アンテナを備える共振器を概略的に示す図である。
【図１５】共振器の導電路に容量結合された第１アンテナを備える共振器を概略的に示す図である。
【図１６】本発明の第二実施形態に係る共振器を概略的に示す図である。
【図１７】本発明に係る共振器の各実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【図１８】本発明に係る共振器の各実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【図１９】本発明に係る共振器の各実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２０】本発明に係る共振器の各実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２１】本発明に係る共振器の各実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２２】本発明に係る共振器の各実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２３】本発明に係る共振器の各実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２４】本発明に係る共振器の各実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２５】本発明に係る共振器の各実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２６Ａ】本発明に係る共振器の各製造過程をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２６Ｂ】本発明に係る共振器の各製造過程をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２６Ｃ】本発明に係る共振器の各製造過程をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２６Ｄ】本発明に係る共振器の各製造過程をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２６Ｅ】本発明に係る共振器の各製造過程をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２６Ｆ】本発明に係る共振器の各製造過程をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２６Ｇ】本発明に係る共振器の各製造過程をそれぞれ概略的に示す図である。
【図２７】共振器の第２例について、平面（ｘ、ｙ）上に発生する電場の分布を示す図である。
【図２８】共振器の第２例について、平面（ｘ、ｙ）上に発生する磁場の分布を示す図である。
【図２９】共振器の第３例について、平面（ｘ、ｙ）上に発生する電場の分布を示す図である。
【図３０】共振器の第３例について、平面（ｘ、ｙ）上に発生する磁場の分布を示す図である。
【図３１】第１実現例において共振器の周波数で発生した電場の上方金属ループの平面の投影図を概略的に示す図である。
【図３２】第２実現例において共振器の周波数で発生した電場の上方金属ループの平面の投影図を概略的に示す図である。
【図３３】図３１及び３２の実現例に係る共振器のネットワークの透過スペクトルを示す図である。
【図３４ａ】図３２の実施形態の概略図であって、電場及び磁場のシミュレーションとともに示す図である。
【図３４ｂ】図３２の実施形態の概略図であって、電場及び磁場のシミュレーションとともに示す図である。
【図３４ｃ】図３２の実施形態の概略図であって、電場及び磁場のシミュレーションとともに示す図である。
【図３５ａ】キャパシタンス体積が非常に小さい共振器の実施形態を、この種の共振器のネットワーク上に実現されるスペクトルとともに示す図である。
【図３５ｂ】キャパシタンス体積が非常に小さい共振器の実施形態を、この種の共振器のネットワーク上に実現されるスペクトルとともに示す図である。
【図３５ｃ】キャパシタンス体積が非常に小さい共振器の実施形態を、この種の共振器のネットワーク上に実現されるスペクトルとともに示す図である。
【図３５ｄ】キャパシタンス体積が非常に小さい共振器の実施形態を、この種の共振器のネットワーク上に実現されるスペクトルとともに示す図である。
【図３５ｅ】キャパシタンス体積が非常に小さい共振器の実施形態を、この種の共振器のネットワーク上に実現されるスペクトルとともに示す図である。
【図３５ｆ】キャパシタンス体積が非常に小さい共振器の実施形態を、この種の共振器のネットワーク上に実現されるスペクトルとともに示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１において、図示される共振器１は、基盤２と、第１導電路３と、分離層４と、第２導電路５とを備える。
【００２５】
基盤２は、例えばガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）またはシリコン（Ｓｉ）などの半導体材料で形成される。
【００２６】
第１導電路３は金属製であり、例えば基盤２上に一または複数の金属層を重ねることで形成される。この層を形成する金属は、金、チタン、プラチナ、ニッケル、ゲルマニウム、またはこれらの合金であってもよく、または高温超伝導材料（例えば、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｘ）であってもよい。第１導電路３は、細長い直線的な形状に形成され、一般的には長方形である。第１導電路３は、第１端部３１、第２端部３２、及びこれら２つの端部３１、３２を接続する中間部３３を備える。
【００２７】
分離層４は、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）などの誘電材料、または半導体材料に基づく量子ヘテロ構造から形成される。分離層４は上述した材料を積層して形成されていてもよく、それらの層のうちひとつがグラフェンであってもよい。分離層４は、概ね平面状に形成され、第１の面４３と、第１の面４３と反対側の第２の面４５を含む。
【００２８】
第２導電路５も金属製であり、例えば分離層４上に金属層を重ねることで形成される。第２導電路５は、第１導電路３と同じ金属で構成されていてもよい。第２導電路５は、第１端部５１、第２端部５２、及びこれら２つの端部５１、５２を接続するループ状（またはピン状）の中間部５３を備える。図１に図示した実施形態では、第２導電路５は全体的にＵ字型を有し、横断ブランチ５４と、２つの平行な長手方向ブランチ５５、５６とを含む。
【００２９】
第１導電路３は、分離層４の第１の面４３と接触して配置され、第２導電路５は分離層４の第２の面４５と接触して配置される。すなわち、第１導電路３及び第２導電路５はそれぞれ分離層４の両面に配置される。
【００３０】
また、第１導電路３及び第２導電路５は、互いに対して、第２導電路５の第１端部５１が第１導電路３の第１端部３１に重なり、第２導電路の第２端部５２が第１導電路の第２端部３２に重なるように配置される。
【００３１】
これにより、２つの第１端部３１、５１は第１キャパシタンスＣ１を形成し、２つの第２端部３２、５２が第２キャパシタンスＣ２を形成する。第１キャパシタンスと第２キャパシタンスとは互いに離間している。また、端部５１、５２が第３キャパシタンスＣｆｒｉｎｇｅを形成する。
【００３２】
また、第２導電路のループ５３状の部分がインダクタンスＬを形成する。
【００３３】
共振器１は、インダクタンス／キャパシタンス型電気共振回路として動作する。共振器１の共鳴周波数ｆｒｅｓは、第１導電路３及び第２導電路５の寸法及び重なり合う端部３１、５１、３２、５２の寸法に依存する。
【００３４】
図１及び図２に示すように、共振器１の幾何学的パラメータは以下の通りである。
Ｔ：分離層４の厚さ
Ｙ：重なり合う端部３１、３２、５１、５２の幅
Ｗ：重なり合う端部３１、３２、５１、５２の長さ
Ｙ×Ｗ：第２導電路５の各端部が第１導電路３に重なる面積
Ｌｘ：横断ブランチ５４のループ５３状に形成された部分の長さ
Ｌｙ：長手方向ブランチ５５、５６のループ状に形成された部分の長さ（重なり合う端部３１、３２、５１、５２を除く）
Ｌｘ＋２×Ｌｙ：ループ５３状に形成された部分の合計長さ（重なり合う端部３１、３２、５１、５２を除く）
【００３５】
共振器１は対称形状であるため、キャパシタンスＣ１及びＣ２は同一である。また、共振器の総キャパシタンスは次の式で表される。
【数１】
2018512764.tif 000003
【００３６】
共振器１のキャパシタンスＣは幾何学的パラメータＹ、Ｗ、及びＴに依存する。共振器のインダクタンスＬは幾何学的パラメータＬｘ、Ｌｙ、Ｙ、Ｗ、及びＴに依存する。
【００３７】
共振器の共振周波数ｆｒｅｓは以下の式で表される。
【数２】
2018512764.tif 000004
【００３８】
固有周波数ｆｒｅｓは、幾何学的パラメータＹ、Ｗ、Ｔ、Ｌ、Ｌｘ、及びＬｙを適切に選択することにより、テラヘルツの周波数域とすることができる。
【００３９】
図３に示すように、共振器１は共振周波数ｆｒｅｓで励起され、各キャパシタンスが分離層４内に電場Ｅを発生させる。発生した電場Ｅの主方向は、分離層４の厚さに平行である（すなわち、分離層４の面４１、４２に垂直である）。
【００４０】
また、第２導電路５のループ５３状の部分はループ５３状の部分の周りに磁場Ｈを発生させる。ループ内に発生した磁場の主方向も、分離層４の厚さに平行である（すなわち、分離層４の面４１、４２に垂直である）。
【００４１】
これにより、分離層４内のループ５３状の部分によって発生する磁場Ｈは、分離層４の厚さに平行であって、キャパシタンスＣ１、Ｃ２によって発生する電場の主成分ＥＺに平行な方向に延びるゼロ以外の主成分ＨＺを有する。また、分離層４内において、成分ＨＺは磁場のその他の成分ＨＹ、ＨＸより大きい。例えば、幾何学的パラメータＴ＝Ｗ＝Ｙ＝２μｍ、Ｌｘ＝Ｌｙ＝２μｍを有する共振器のデジタルシミュレーションは、成分ＨＺがループの表面においてほぼ均一であり、Ｈｚ／Ｈｘ＝１．６かつＨｚ／Ｈｙ＝１．４であることを示している。
（例１）
【００４２】
共振器１の動作のデジタルシミュレーションが実施された。
【００４３】
このシミュレーションで使用された幾何学的パラメータは、Ｔ＝Ｗ＝Ｙ＝２μｍ及びＬｘ＝Ｌｙ＝４μｍである。分離層４は、光学屈折率ｎ１＝２の誘電材料からなる層である。基盤２の光学屈折率はｎ２＝３．５である。有限要素法に基づく商用デジタルシミュレータによれば、このような装置の共振周波数はｆｒｅｓ＝４．２ＴＨｚに等しい。
【００４４】
図４は、分離層４の厚さに平行な方向Ｚに沿って、発生した電場の成分Ｅｚの強さを概略的に示す図である。図４は、分離層４の面４１、４２に平行かつ分離層４の中央を通る平面Ｐ（ｘ、ｙ）上の成分Ｅｚ（ｘ、ｙ）の分布の３Ｄデジタルシミュレーションを示す図である。すなわち、平面Ｐは分離層４の厚さに垂直な正中面である。
【００４５】
図５は、分離層４の厚さに平行な方向Ｚに沿って、発生した磁場の成分Ｈｚの強さを概略的に示す図である。図５は、導電路３、５から等距離に位置し分離層４の中央を通る正中面Ｐ（ｘ、ｙ）の成分Ｈｚ（ｘ、ｙ）の分布の３Ｄデジタルシミュレーションを示す図である。
【００４６】
電気エネルギーの大部分（場の二乗（｜Ｅｚ｜２）に比例する）は成分ＥＺに蓄えられ、磁気エネルギー（場の二乗（｜Ｈｚ｜２）に比例する）は成分ＨＺに蓄えられる。
【００４７】
電場のその他の成分はＥｚに対して無視することができ（例えば、Ｅｚ／Ｅｙはおよそ４である）、磁場のその他の成分は分離層においてＨｚ未満である。
【００４８】
図４及び５に示すように、共振器によって発生した電場Ｅｚ（ｘ、ｙ）は、第１導電路３及び第２導電路５の重なり合う端部３１、５１、３２、５２の間に位置する分離層４の体積Ｔ×Ｗ×Ｚに集中する（この体積がキャパシタンス領域と呼ばれる）。しかし、磁場Ｈｚ（ｘ、ｙ）は第２導電路５のループＬｘ×Ｌｙ状の部分の周りに位置している（この部分が誘電域と呼ばれる）。したがって、磁場Ｈは電場Ｅから離間している。
【００４９】
共振器の形状は、共振器からのキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬを独立して調整する。所与の固有周波数ｆｒｅｓについて、幾何学的パラメータを調整することで、低いキャパシタンスＣと強いインダクタンスＬを得ることができる。この独立性により、分離層４で発生する場の電気成分Ｅｚと磁気成分Ｈｚが調整される。
【００５０】
特に、ループＬｘ×Ｌｙを利用することで場Ｔ×Ｗ×Ｚを低減して電場の占める体積を減らすとともに、同一の共振周波数ｆｒｅｓを得ることができる。
（例２及び３）
【００５１】
この性質は、図２７乃至３０に示す共振器の他の２つの例のデジタルシミュレーションによっても示される。
【００５２】
図２７及び２８に示す共振器の幾何学的パラメータは、Ｌｘ＝３．５μｍ、Ｌｙ＝２．８５μｍ、Ｗ＝１μｍ、Ｙ＝１μｍ、Ｔ＝０．５μｍである。この共振器の共振周波数はｆｒｅｓ＝４．１７ＴＨｚである。
【００５３】
図２９及び３０に示す共振器の幾何学的パラメータは以下の通りである。Ｌｘ＝５．５４μｍ、Ｌｙ＝４．０５μｍ、Ｗ＝０．２μｍ、Ｙ＝０．５μｍ、Ｔ＝０．５μｍ。この共振器の共振周波数はｆｒｅｓ＝４．６１ＴＨｚである。
【００５４】
したがって、図４、５、２７、２８、２９、及び３０に示す共振器の３つの例は、同等の共振周波数を有し、電場の占める領域はＴ×Ｗ×Ｚ＝８μｍ３（図４及び５）からＴ×Ｗ×Ｚ＝０．０５μｍ３（図２９及び３０）へと大幅に縮小している。
【００５５】
このように、電場と磁場の離間によって、インダクタンスループの寸法とキャパシタンス領域の寸法との比を異ならせることができる。
【００５６】
また、後述するように、場Ｅ及びＨが離間しているとき、Ｅはキャパシタンス部分の体積の平方根に反比例する。
【００５７】
共振器は、電場Ｅを回折限界λｒｅｓ３に対して非常に小さい体積Ｖｃ＝Ｔ×Ｗ×Ｙに集中させる。ここで、λｒｅｓ＝ｃ／ｆｒｅｓは共振波長であり、ｃは真空中の光の速度である。
【００５８】
例えば、図２９及び３０に示した共振器によれば、比λｒｅｓ３／Ｖｃ＝５．５×１０６が得られる。
【００５９】
この性質のため、電場Ｅｚの強さとして大きな値を得ることができる。実際、共振器が固有周波数ｆｒｅｓで励起されるとき、共振器は有限電磁エネルギーＵを蓄積可能であり、このエネルギーの半分は電気的性質を有し、以下の関係を満たす。
【数３】
2018512764.tif 000005
【００６０】
ここで、ε＝ｎ１２であり、ε０＝８．８５４×１０−１２Ｆ／Ｍは誘電定数（または真空の誘電率）である。
【００６１】
上述の共振器１で、所与の電磁エネルギーＵに対して、電場Ｅｚが増大可能なように、キャパシタンス領域の幾何学的パラメータＴ、Ｗ、Ｙを低下させてもよい。
【００６２】
また、この共振器１において、電場Ｅと磁場Ｈとは互いに平行であるため、共振器の共振は、他の大部分の高電子工学共振器と異なり、伝播作用の影響と関係しない。
【００６３】
共振器は、量子へテロ構造によって隔てられた２つの異なる形状の金属導電路を有し、これにより共に共振して、磁場から離間しかつ磁場に平行である量子へテロ構造において同心状の電場を形成する。このことは、どの先行技術文献にも記載されていない。
【００６４】
本発明において、以下の理由から、インダクタンス／キャパシタンス共振が生じる。
ｉ）金属製の導電路は有限であり、これにより重なり合う端部３１、３２、５１、５２付近で電荷が蓄積可能となる。なお、一組の端部（３１、３２）または（５１、５２）が部材３または５の一方の両端に設けられていればよく、二組が同時に設けられていなくともよい。
ｉｉ）重なり合う端部３１、３２、５１、５２の数は対となる数である（２または２の倍数）。
【００６５】
したがって、条件ｉ及びｉｉによって、第１導電路３の端部５１、５２の間、または、第２導電路５の端部３１、３２の間で、異なった符号を持つ電荷の蓄積が可能になる。
【００６６】
また、端部５１と端部３１の間の重なり合う部分に蓄積される電荷と、端部５２と端部３２の間の重なり合う部分に蓄積される電荷とは、異なる符号を持つ。
【００６７】
そして、電荷保存則により、同一の導電路における電荷の総和はゼロである。
【００６８】
２つの導電路の面する２つの端部３１、５１及び３２、５２間の反対の電荷の極が形成されるこの場合においてのみ、共振器はキャパシタンスを発生させる。
【００６９】
このことは、図３と、図４における正の電荷Ａと負の電荷Ｇ、図２７におけるＣとＡ、図２９におけるＡとＣによって示される。
【００７０】
各金属導電路には、三次元共振器の共振周波数において、２つの金属導電路間で反対方向の、電荷の出て戻る動き（すなわち振動）が存在する。
（その他の例）
【００７１】
共振器のプロトタイプが次の幾何学的パラメータによって製作された。Ｔ＝Ｙ＝２μｍであり、Ｗ、Ｌｘ、Ｌｙはそれぞれ２μｍ、４μｍ、６μｍ、８μｍの値を取る。図６は共振器のひとつを示す図である。
【００７２】
各共振器は、ＧａＡｓの基盤と、ＳｉＯ２の分離層と、金からなる導電路を備える。特定の形状が、３つの値の組み合わせＷ、Ｌｘ、Ｌｙによって表される。例えば、組み合わせ「２４２」によって表される共振器の幾何学的パラメータは、Ｗ＝２μｍ、Ｌｘ＝４μｍ、Ｌｙ＝２μｍである。
【００７３】
パラメータ（Ｗ、Ｌｘ、Ｌｙ）の各セットについて、寸法３ｍｍ×３ｍｍを有するパネル上に多数の共振器を設けて共振器のマトリックスが作成された。各パネルは、同一の共振器のマトリックスを担持し、周期的な配置に従って配置されている。図７は、このように作成された共振器のマトリックスのひとつを示す図である。
【００７４】
そして、各パネルについて反射測定が行われた。同一の共振器１を周期的に配置して用いることで、共振周波数が明らかになる。
【００７５】
図８Ａ〜８Ｃは、それぞれ異なるパラメータセットを有する共振器のマトリックスについて得られた反射スペクトルを示す図である。各スペクトルは、偏光をパネル上に準垂直入射させることで得られ、光の電場のベクトルはアーストラック３の長さに平行に配向されている。
【００７６】
図８Ａ〜８Ｃに示すスペクトルは、共振器による光の共鳴吸収に対応する反射率の最小値を示している。反射率が測定される多くの共振器ＴＨｚでは伝播作用の影響による上位モードが常に存在するのに対し、上述のスペクトルに上位のモードは現れていない。
【００７７】
図９は、次のスケールパラメータに従って、異なる形状の共振器について測定された共振周波数を組み合わせた図である。
【数４】
2018512764.tif 000006
【００７８】
このスケールパラメータは、次のように理解することができる。誘電ループ５が糸状導体に同化され、キャパシタンス部５１／３１及び５２／３２が平面状コンデンサに同化される場合、キャパシタンスＣ及びインダクタンスＬは、次の式に従って第１の近似値として表される。
【数５】
2018512764.tif 000007
【数６】
2018512764.tif 000008
【００７９】
ここで、ｈは第２導電路の厚さであり（本実施例において、ｈ＝０．２５μｍ）、μ０は磁気定数である（μ０＝４π×１０−７Ｔｍ／Ａ）。
【００８０】
幾何学的パラメータＹ、Ｔ、Ｈは不変であることから、共振周波数は次のように表される。
【数７】
2018512764.tif 000009
【００８１】
したがって、第１の近似において、共振周波数はパラメータｐに比例する。
【００８２】
また、実際に、同一の積Ｗ×Ｌｘ×Ｌｙを有する共振器が同一の共振周波数を示すことを観察できる。
【００８３】
例えば、図９に示すように、共振周波数「２２４」、「２４２」、及び「４２２」は同一の周波数ｆｒｅｓ＝４．５ＴＨｚで共鳴する。各キャパシタンスの寸法を倍数２で増加（共振器「４２２」のＷ＝４μｍから共振器「２２４」のＷ＝２μｍへ移動）しながら、同一の共振周波数を維持することができる。
【００８４】
図１０は、共振器の３つのファミリーの例示的な周波数と、２つの異なる方法によって求めた対応する共振周波数を比較して示す図である。第１の方法は、有限要素法による構造の電磁デジタルシミュレーションである（図１１Ａ〜１１Ｃの点線で示すグラフ）。第２の方法は、等価回路に基づく共振周波数の解析式である（図１１Ａ〜１１Ｃ）。
【００８５】
等価回路を構築するため、金属製の導電路は長方形のブロックに分割されている（例えば、図１１Ａ〜１１ＣのブロックＡ、Ｂ、Ｄ、及びＥ）。電磁共鳴によって誘起される電流がこれらの部分を通過する。対応する自己インダクタンスＬＡ、ＬＢ、ＬＤ、及びＬＥと相互インダクタンスＭＡＢ及びＭＥＤが計算される。表皮厚さ（金属に対する電磁波の貫通長さ）は構造の寸法に対して最小限とみなして計算された。この近似は、表皮厚さが最大数十ナノメートルである高周波数領域で成立する。Ｃ・ホアー（Ｈｏｅｒ、  Ｃ）、Ｃ・ラブ（Ｃ．  Ｌｏｖｅ）著、「より複雑な形状に適用された方形導体の正確なインダクタンス方程式（Ｅｘａｃｔ  ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｅｑｕａｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｍｏｒｅ  ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ  ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ）」Ｊ．  Ｒｅｓ．ＮＢＳ、Ｖｏｌ．  ６９Ｃ、Ｎｏ．  ２、１９６５年、ｐ．１２７−１３７の式（８）及び（１８）を用いて、構造の幾何学的パラメータの関数として、ＬＡ、ＬＢ、ＬＤ、及びＬＥと相互インダクタンスＭＡＢ及びＭＥＤの値を推定することができる。
【００８６】
キャパシタンスＣ１及びＣ２が、次の式に従って推定される。
【数８】
2018512764.tif 000010
【００８７】
この式において、Ｈ・Ｂ・パルマー（Ｈ．  Ｂ．  Ｐａｌｍｅｒ）著、「シュワルツ・クリストフェル変換による平行平板容量のキャパシタンス（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  ｐａｒａｌｌｅｌ−ｐｌａｔｅ  ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ｂｙ  ｔｈｅ  Ｓｃｈｗａｒｔｚ−Ｃｈｒｉｓｔｏｆｆｅｌ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）」、（翻訳）、ＡＩＥＥ、Ｖｏｌ．  ５６、１９２７年３月、ｐ．３６３の結果に従って、第２と第３の項では、「漏洩場」または部分５１及び３１（５２及び３２）間の電場の曲線の曲率が考慮されている。
【００８８】
キャパシタンスＣｆｒｉｎｇｅは、部分５１及び５２間の場の曲線を考慮している。このキャパシタンスは、インダー・バール（Ｉｎｄｅｒ  Ｂａｈｌ）著、「ＲＦおよびマイクロ波回路の集中素子（Ｌｕｍｐｅｄ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｆｏｒ  ＲＦ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）」、アーテックハウス（ＡＲＴＥＣＨ  ＨＯＵＳＥ、  ＩＮＣ）、キャントンストリートノーウッド６８５、ＭＡ  ０２０６２、ｐ．４５８、１４．４７  ａ、  １４．４７ｂ、  １４．４８の分析式に従って推定される。
【００８９】
共振周波数ｆｒｅｓは次の式によって与えられる。
【数９】
2018512764.tif 000011
【００９０】
このモデルに従って推定された値を、連続した線として図１０に示す。２つの方法により、測定された共振周波数が複製される。分析モデルの利点は、数時間に及ぶ長い時間と大容量のコンピュータメモリを必要とするデジタルシミュレーションを用いることなく、ｆｒｅｓを推定できることである。
【００９１】
図１２は、第１量子構造を備える共振器を概略的に示す図である。
【００９２】
この図に示す共振器１は、分離層４が第１導電路３と第２導電路５の間に配置された量子へテロ構造によって全体的に形成される点を除いて、図１の共振器と同一である。
【００９３】
量子へテロ構造には、異なる材料からなる層が積層されている。図１２に示す量子へテロ構造には、第１半導体材料ならなる複数の層４１と、第１材料とは異なる第２半導体材料からなる複数の層４２とが積層されている。第１材料の層４１は、第２材料の層４２と交互に配置されている。積み重ねられた各層４１、４２は分離層４の面４３、４５に平行である。言い換えれば、積み重ねられた各層４１、４２は分離層４の厚さに垂直に延在している。
【００９４】
第１材料及び第２材料は、例えば、ＧａＡｓ及びＧａ１−ｘＡｌｘＡｓ、ＧａＡｓ及びＡｌＧｅＡｓ、ＩｎＡｓ及びＡｌＳｂ、ＧａＮから選択される。
【００９５】
また、第１導電路３は第１延長部３７を含み、第２導電路は第２延長部５７を含む。第１延長部３７と第２延長部５７は、導電路３、５を電圧源Ｖに接続し、ヘテロ構造における量子遷移を励起する。第１延長部３７は第１導電路３の延長部分に延在する。第２延長部５７は第２導電路５の横断ブランチ５４の延長部分に延在する。
【００９６】
ヘテロ構造は、所与の周波数帯の電磁放射Ｒの吸収と、その電磁放射Ｒの連続電流Ｉ（すなわち光電流）への変換に適している。第１導電部３と第２導電部５の延長部３７、５７は、共振器１によって発生する電流Ｉを検出するため電流検出器に接続されていてもよい。
【００９７】
図１３は、第２量子構造を備える共振器１を概略的に示す図である。
【００９８】
この図に示す共振器１は、分離層４の量子構造がキャパシタンス領域にのみ、すなわち第１導電路３と第２導電路５の重なり合う部分３１及び５１、３２及び５２に配置されている点を除いて、図１の共振器と同一である。分離層４のその他の部分は絶縁材によって構成される。この配置の利点は、光電流が電場のとくに強力な領域３１／５１及び３２／５２の下でのみ集められる点である。
【００９９】
図１４は、共振器１の導電路に誘電結合された第１アンテナを備える共振器を概略的に示す図である。
【０１００】
第１アンテナは、分離層４の第２の面４５上に形成され、第２導電路５のループ５３状の部分と誘電結合されるように配置された第３導電路６を備える。第１アンテナは、入射電磁放射Ｒによって、共振器１の結合効率を向上させる。
【０１０１】
図１５は、共振器の導電路に容量結合された第２アンテナを備える共振器を概略的に示す図である。
【０１０２】
第２アンテナは、分離層４の第２の面４５上に形成され、第２導電路５のループ５３状の部分と容量結合されるように配置された第４導電路７及び第５導電路８を備える。
(その他の実施形態)
【０１０３】
図１６は、本発明の第二実施形態に係る共振器１を概略的に示す図である。
【０１０４】
この実施形態において、共振器１は第１分離層４と第２分離層９とを備える。第２分離層９は、第１分離層４上に延在する。しかし、第２分離層９の寸法は第１分離層４の寸法とは異なる。
【０１０５】
第２分離層は、第１の面９３と、第１の面９３に対向する第２の面９５を含む。第２の分離層９は第４の分離層４を覆っており、第２の分離層９の第１の面９３は第１分離層４の第２の面４５と接している。
【０１０６】
第１導電路３は第１分離層４の第１の面４３上に形成され、第２導電路５は部分的に第２分離層９の第２の面９５上と第１の分離層４の第２の面４５上とに形成される。
【０１０７】
より具体的には、第２導電路５は、横断ブランチ５４と、２つの平行な長手方向ブランチ５５、５６とを備える。第１長手方向ブランチ５６は第１分離層４の第２の面４５上に延在し、第２長手方向ブランチ５５は第２分離層９の第２の面９５上に延在している。
【０１０８】
第１導電路３及び第２導電路５は、互いに対して、第２導電路５の第１端部５１が第２導電路３の第１端部３１に重なり、第２導電路５の第２端部５２が第１導電路３の第２端部３２に重なるように配置される。
【０１０９】
しかし、第１端部３１及び５１は第１距離Ｄ１で互いから離間し、第２端部３２及び５２は第１距離Ｄ１よりも小さい第２距離Ｄ２で互いから離間している。第１距離Ｄ１は第１分離層４の厚さＴ１と等しい。第２距離Ｄ２は第１分離層４及び第２分離層９の厚さＴ１、Ｔ２の和に等しい。
【０１１０】
また、第２導電路５は非対称形状を有する。第２長手方向ブランチ５５の寸法は、第１長手方向ブランチ５６の寸法とは異なる。とくに、第２長手方向ブランチ５５の幅Ｙ１は第１長手方向ブランチ５６の幅Ｙ２より大きい。
【０１１１】
図１７〜２５は、本発明に係る共振器１のその他の実施形態をそれぞれ概略的に示す図である。
【０１１２】
図１７では、第１導電路３は直線的形状を有する。また、第２導電路５はアーチ型形状を有する。
【０１１３】
図１８において、第１導電路３及び第２導電路５はそれぞれＵ字型をなす。第１導電路３及び第２導電路５は、導電路３、５の端部３１及び５１、３２及び５２のみが重なり合うように、互いに対して配置されている。
【０１１４】
図１９では、第１導電路３は直線的形状を有する。また、第２導電路５はＣ型形状を有する。
【０１１５】
図２０では、第１導電路３は直線的形状を有する。第２導電路５は、開かれた長方形のループ状に形成された部分５３と、ループ５３状の部分から延在する２つの長手方向ブランチ５５、５６とを有する。各長手方向ブランチ５５、５６は、第１導電路３の端部３１、３２とそれぞれ重なり合う端部５１、５２を有する。
【０１１６】
図２１において、共振器は２つの直線的な導電路３、３’と、第２導電路５とを有し、Ｈ字状に形成されている。第１導電路３、３’は、互いに平行に延在している。第２導電路５は、共通の横断ブランチ５４と、横断ブランチ５４に垂直に延在する４つの長手方向ブランチ５５、５６、５５’、５６’とを有するループ５３、５３’状の２つの部分を備える。各長手方向ブランチ５５、５６、５５’、５６’は、端部５１、５２、５１’、５２’を有する。第１導電路３、３’と第２導電路５は、第２導電路５の各端部５１、５２、５１’、５２’が第１導電路３、３’の端部３１、３２、３１’、３２’とそれぞれ重なり合うように、互いに対して配置される。
【０１１７】
図２２において、共振器は２つの第１直線状導電路３、３’と、第２導電路５とを有する。第１導電路３、３’は、互いに平行に延在している。第１導電路３、３’は異なる長さを有する。第２導電路５は、共通の横断ブランチ５４と、横断ブランチ５４から延在する４つの長手方向ブランチ５５、５６、５５’、５６’とを有するループ５３、５３’状の２つの部分を備える。より具体的には、第２導電路５は第１の一対の長手方向ブランチ５５、５６と、第２の一対の長手方向ブランチ５５’、５６’を有する。第１の一対の長手方向ブランチ５５、５６は第１の距離Ｌｘ１で互いから離間している。第２の一対の長手方向ブランチ５５’、５６’は第２の距離Ｌｘ２で互いから離間している。第１導電路３、３’と第２導電路５は、第１の一対のブランチ５５、５６の端部５１、５２が一方の第１導電路３の端部３１、３２と重なり合い、第２の一対のブランチ５５’、５６’の端部５１’、５２’が他方の第１導電路３’の端部３１’、３２’と重なり合うように、互いに対して配置される。
【０１１８】
図２３において、共振器は２つの直線的な導電路３、３’と、２つの第２導電路５、５’とを有し、Ｕ字状に形成されている。各第２導電路５、５’は、第１導電路３、３’の一方の端部３１、３２及び３１’、３２’と重なり合う端部５１、５２及び５１’、５２’を有する。第１導電路３、３’は互いに同一であるが、互いに垂直に配置されている。同様に、第２導電路５、５’は互いに同一であるが、互いに対して９０°回転されている。
【０１１９】
図２４において、共振器は第１直線状導電路３と、第２導電路５とを有し、Ｕ字状に形成されている。第２導電路５は横断ブランチ５４と２つの平行な長手方向ブランチ５５、５６とを備える。長手方向ブランチ５５、５６は、互いに異なる幅Ｙ１、Ｙ２を有する。第１導電路３及び第２導電路５は、互いに対して、第２導電路５の第１端部５１が第１導電路３の第１端部３１に重なり、第２導電路の第２端部５２が第１導電路の第２端部３２に重なるように配置される。
【０１２０】
図２５において、共振器は横断ブランチ３４と長手方向ブランチ３５を有するＬ字状の第１導電路３を備える。第１導電路３の長手方向ブランチ３５は、第２導電路５の一方の長手方向ブランチ５５と部分的に重なっている。第１導電路３の横断ブランチ３４の端部３２は、第２導電路５の他方の長手方向ブランチ５６のうち一つと重なっている。
【０１２１】
図２６Ａ〜２６Ｇは、本発明に係る共振器の製造過程の各ステップを概略的に示す図である。
【０１２２】
第１のステップ（図２６Ａ）によれば、第１の基盤層１１上に、ストップ層１０と分離層４とが形成される。
【０１２３】
第１の基板層１１は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなり、３００μｍの厚さを有する。
【０１２４】
ストップ層１０は、ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）で形成されている。ストップ層１０は、第１の基盤１１と分離層４との間に延在する。
【０１２５】
例えば、分離層４は、それぞれ１００ｎｍ及び２μｍの厚さを有するＧａＡｓ及びＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの層が交互に形成されたヘテロ構造を備える。
【０１２６】
第２のステップ（図２６Ｂ）によれば、一または複数の第１導電路３が分離層４の第１の面４１上に形成されている。
【０１２７】
第１導電路３は、光リソグラフィーまたは電子リソグラフィーにより、金とチタンの合金から形成される。
【０１２８】
第３のステップ（図２６Ｃ）によれば、例えばプラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、誘電材料１２の層が分離層４上に形成される。誘電材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）または窒化ケイ素（ＳｉＮ）である。
【０１２９】
誘電材料１２の層が形成されると、第１導電路３が導電材料１２の層に埋め込まれる。
【０１３０】
第４のステップ（図２６Ｄ）によれば、第１の基盤１１、ストップ層１０、分離層４、第１導電路３、及び誘電材料１２の層からなるアセンブリが、第２の基盤２上に積層される。
【０１３１】
このために、誘電材料１２の層は接着組成物の層１３でコーティングされ、この接着組成物に第２の基盤２が取り付けられる。
【０１３２】
接着組成物１３は、例えばエポキシをベースとする組成物であってもよい。
【０１３３】
第２の基盤層２は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）から形成される。第２の基盤層２は、後に共振器の基盤２を形成するためのものである。
【０１３４】
第５のステップ（図２６Ｅ）によれば、第１の基盤層１１は、クエン酸による選択的エッチングで除去される。ストップ層１０がエッチングを制限することにより、第１基盤層１１のみが除去される。
【０１３５】
第６のステップ（図２６Ｆ）によれば、ストップ層１０は、フッ化水素酸水溶液による選択的エッチングで除去される。
【０１３６】
第７のステップ（図２６Ｇ）によれば、一または複数の第２導電路５が、の第１の面４１とは反対側の、分離層４の第２の面４２上に形成されている。
【０１３７】
第２導電路５は、光リソグラフィーまたは電子リソグラフィーにより、金とチタンの合金から形成される。
【０１３８】
上述のステップを集合的に行うことにより、複数の共振器１が形成される。
【０１３９】
この種の構造を適用するためには、入射光と構造のモードの結合を最適化することが重要である。入射放射線と相互作用する構造のキャパシタンスは、量Ｊによって与えられる。
【数１０】
2018512764.tif 000012
【０１４０】
この量は、入射電磁波側に、構造面上の電磁共振で発生する電場の投影全体を示す。この量は、図３１、３２の矢印（場Ｅｐｌａｎａｒを示す）の総和と同化することができる。
【０１４１】
図３１において、すべての矢印のベクトル和は相殺され、総和Ｊは小さい。
【０１４２】
図３２に示すように、部分５が被覆領域５１、５２を超えて延長することで、逆位相の場Ｅｐｌａｎａｒの成分が最小化され、Ｊが増加する。
【０１４３】
図３３は、この効果を例示的に実証する図である。同図において、図３１、３２で説明された２つの構造の透過が比較されている。ループ５が延長された構造に対応する共振は、延長されていない構造の共振よりはるかに強い振幅を有し、量Ｊが増加されたことを示している。
【０１４４】
図３４ａは、延長を有する構造を示す図であり、２つの金属製導電路と、被覆領域３１、３２及び５１、５２の配置を示す図である。
【０１４５】
図３４ｂは、この種の構造が共振によって励起されているときの、構造の垂直電場ＥＺのシミュレーションを示す図である。これらのシミュレーションは、場が図３４ａに示す被覆領域３１．／５１及び３２／５２にちょうど位置することを示している。
【０１４６】
図３４ｃは、構造の垂直磁場Ｈｚのシミュレーションを示す図である。場は主に誘電ループに位置する。
【０１４７】
図３５ａ〜３５ｃは、容量を低下させた共振器のプロトタイプを示す図である。図３５ａ、３４ｂ、３５ｃは、それぞれ寸法がＷ＝Ｙ＝１μｍ（３５ａ）、Ｗ＝Ｙ＝０．５μｍ（３５ｂ）、Ｗ＝Ｙ＝０．３５μｍ（３５ｃ）である金属導電路の実現例を示す図である。誘電層はＳｉＯ２からなり、厚さはそれぞれＴ＝１μｍ（３５ａ）、Ｔ＝０．５μｍ（３５ｂ）、Ｔ＝０．２５μｍ（３５ｃ）である。これにより、図中に四角で示すキャパシタンス体積はＷ×Ｙ×Ｔ＝１μｍ３（３４ａ）、Ｗ×Ｙ×Ｔ＝０．１２５μｍ３（３５ｂ）、Ｗ×Ｙ×Ｔ＝０．０３μｍ３（３５ｃ）となる。各構造の誘電ループは（幅Ｌｘ×長さＬｙ）であり、４μｍ×６μｍ（３５ａ）、４μｍ×８μｍ（３５ｂ）、６μｍ×６μｍ（３５ｃ）である。図３５ｄ、３５ｅ、３５ｆは、それぞれ３５ａ、３５ｂ、３５ｃの共振器について、同一の共振器の周期的な組み合わせの透過スペクトルを示す図である。各透過曲線に付された数字は、共振器の各ネットワークの基本セルの表面積を示すものである。誘電ループのサイズは、すべての共振器が周波数３ＴＨｚのモードを有し、波長はλｒｅｓ＝１００μｍであるように選択される。したがって、３５ｃの構造では、比λｒｅｓ３／Ｖｃ＝３．３×１０７が得られる。
【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】
2018512764.tif 000019
【図８Ａ】
2018512764.tif 000020
【図８Ｂ】
2018512764.tif 000021
【図８Ｃ】
2018512764.tif 000022
【図９】
2018512764.tif 000023
【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2018512764.tif 000030
【図１５】
2018512764.tif 000031
【図１６】
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【図１７】
2018512764.tif 000033
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2018512764.tif 000038
【図２３】
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【図２４】
2018512764.tif 000040
【図２５】
2018512764.tif 000041
【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２６Ｄ】
2018512764.tif 000045
【図２６Ｅ】
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【図２６Ｆ】
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【図２６Ｇ】
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【図２７】
2018512764.tif 000049
【図２８】
2018512764.tif 000050
【図２９】
2018512764.tif 000051
【図３０】
2018512764.tif 000052
【図３１】
2018512764.tif 000053
【図３２】
2018512764.tif 000054
【図３３】
2018512764.tif 000055
【図３４ａ】
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【図３４ｂ】
2018512764.tif 000057
【図３４ｃ】
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【図３５ａ】
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【図３５ｂ】
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【図３５ｃ】
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【図３５ｄ】
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【図３５ｅ】
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【図３５ｆ】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年10月25日(2017.10.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所与の共振周波数が１００ギガヘルツ以上であるインダクタンス／キャパシタンス型三次元電磁共振器（１）であって、
導電材料からなる第１導電路（３）と、
導電材料からなる第２導電路（５）と、
前記第１導電路（３）と前記第２導電路（５）との間に位置する量子へテロ構造を備え、両面にそれぞれ前記第１導電路（３）及び前記第２導電路（５）が形成される分離層（４）と、を備え、
前記第１導電路（３）は、２つの重なり合う部分（３１、３２）を含み、前記第２導電路（５）は２つの重なり合う部分（５１、５２）を含み、誘電ループ（５３）が前記２つの重なり合う部分（５１、５２）を接続し、前記第１導電路（３）の前記重なり合う部分（３１、３２）の各々が前記第２導電路（５）の前記重なり合う部分（５１、５３）とそれぞれ向かい合うように配置されることで、２つのキャパシタンス（Ｃ１、Ｃ２）が互いに離間して形成され、前記誘電ループ（５３）は該誘電ループ内及び導電路の周囲に磁場（Ｈ）を発生させることに適しており、各キャパシタンスは前記分離層（４）内に電場（Ｅ）を発生させることに適しており、
前記第１導電路（３）及び前記第２導電路（５）は、
有限であり、
前記重なり合う部分（３１、３２、５１、５２）が前記第１導電路（３）の中間部（３３）と前記第２導電路（５）の長手方向ブランチ（５５、５６）の第１端部（３１、５１）と第２端部（３２、５２）となるように、互いに対して配置され、
第１キャパシタンス（Ｃ１）を形成する前記２つの第１端部（３１、５１）と、前記２つの第２端部（３２、５２）とが、前記第１キャパシタンス（Ｃ１）によって発生する前記電場とは逆符号の電場（Ｅ）を発生させることに適した第２キャパシタンス（Ｃ２）を形成し、
前記共振器が前記共振周波数で励起されているときに、前記電場を前記重なり合う部分（３１、３２、５１、５２）に限定する
ことを特徴とする共振器。
【請求項２】
前記誘電ループ（５３）によって前記分離層（４）に発生する前記磁場（Ｈ）は、前記キャパシタンスによって発生する前記電場（Ｅ）に平行な方向に延在する主成分を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の共振器。
【請求項３】
前記キャパシタンスの各々によって発生する前記電場（Ｅ）は、前記分離層（４）の厚さの方向（ｚ）と平行な方向に延在する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の共振器。
【請求項４】
前記電場（Ｅ）によって発生する電気エネルギーの少なくとも７０％は、前記第１導電路（３）と前記第２導電路（５）の前記重なり合う部分（３１、５１、３２、５２）の間の前記分離層（４）の領域に位置している
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項５】
前記第２導電路（５）の前記重なり合う部分（５１、５２）は離間距離（Ｌｘ）にて互いから離間しており、前記誘電ループ（５３）は長手方向寸法（Ｌｙ）を有し、前記重なり合う部分の各々は長さ（Ｗ）及び幅（ｙ）を有し、ｃを真空における光の速さ、ｆｒｅｓを前記共振器の前記共振周波数としたとき、共振波長λはｃ／ｆｒｅｓと等しく、Ｌｘ＋２Ｙ及びＬｙ＋Ｗ＋Ｙは前記共振波長λより小さい
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項６】
ｃを真空における光の速さ、ｆｒｅｓを前記共振器の前記共振周波数とし、ｎを前記分離層（４）の屈折率、λを共振波長としたとき、λはｃ／ｆｒｅｓと等しく、前記分離層の厚さ（Ｔ）はλ／２ｎより小さい
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項７】
前記導電路のうち一方の導電路の前記長手方向ブランチは横手方向の延長部を有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項８】
ｎを前記分離層（４）の屈折率、λを共振波長、ｃを真空における光の速さ、ｆｒｅｓを前記共振器の共振周波数としたとき、λはｃ／ｆｒｅｓと等しく、前記第１導電路（３）の重なり合う部分（３１、３２）と前記第２導電路（５）の重なり合う部分（５１、５２）の間に位置してキャパシタンスを形成する前記分離層（４）の各領域は、（λ／２ｎ）３以下の体積を有する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項９】
前記第１導電路（３）は直線形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１０】
前記キャパシタンス（Ｃ１、Ｃ２）の寸法及び配置と前記誘電ループ（５３）の寸法及び配置とは、前記分離層（４）の中間面（ｘ、ｙ）に沿って、前記分離層（５）の厚さ（ｚ）の方向に対して垂直に、前記共振周波数（ｆｒｅｓ）で離間し、前記電場（Ｅ）及び前記磁場（Ｈ）の主成分は前記厚さ（ｚ）の方向に沿って延在している
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１１】
前記第２導電路は２つの平行なブランチ（５５、５６）を有するＵ字状であり、前記重なり合う部分（５１、５２）は前記Ｕ字状のブランチの端部にそれぞれ位置する
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１２】
前記第２導電路（５）は非対称形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１３】
前記共振器は、前記第１導電路及び前記第２導電路とともに配置され、ｐ対（ｐは４以上の数）のキャパシタンスを形成する少なくとも一つの第３導電路を備える
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１４】
前記第２導電路（５）に容量結合または誘電結合された金属製パターン（６、７、８）を備え、該金属製パターン（６、７、８）は前記共振器に照射される電磁放射（Ｒ）の集光に適している
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の共振器。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の共振器（１）を複数備える電気共振アセンブリであって、第１導電体が複数の前記第１導電路（３）を電気的に接続し、第２導電体が複数の前記第２導電路（５）を電気的に接続する
ことを特徴とする電気共振アセンブリ。
【国際調査報告】
2018512764.tif 000065
2018512764.tif 000066
2018512764.tif 000067
2018512764.tif 000068
2018512764.tif 000069