(57)【要約】      （修正有）【課題】テラヘルツ波の発生効率を最大にするテラヘルツ波発生器の調整方法。【解決手段】アレイ型光導波路１１からの光学ビームを受光するアレイ型フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４と、アレイ型フォトダイオードのアレイ両端それぞれに設置された２個の調整用フォトダイオードｍＰＤ１，ｍＰＤ２と、２個の調整用フォトダイオードそれぞれの調整用光学ビームｍＢｅａｍ１，ｍＢｅａｍ２それぞれに連結された２個の調整用光導波路ｍ１１，ｍ１２とを備えたテラヘルツ波発生器を用いて、一方のｍＰＤ１の出力が最大となるようにアレイ型フォトダイオードに対して水平及び垂直方向にアレイ型光導波路１１を移動し、ｍＰＤ１の最大出力を維持しつつ、他方のｍＰＤ２の出力が一方の調整用フォトダイオードの出力と同等になるように、一方のｍＰＤ１を軸としてアレイ型光導波路若しくはアレイ型フォトダイオードのアレイを回転させて調整する方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ビームを導くアレイ型光導波路と、
前記アレイ型光導波路からの前記光学ビームを受光するアレイ型フォトダイオードと、
前記アレイ型フォトダイオードのアレイ両端それぞれに設置された２個の調整用フォトダイオードと、
前記２個の調整用フォトダイオードの調整用光学ビームそれぞれに連結された２個の調整用光導波路とを備え、
前記２個の調整用光導波路それぞれから、前記アレイ型光導波路とは別に前記２個の調整用フォトダイオードそれぞれに調整用光学ビームを導き、
前記２個の調整用フォトダイオードの光電流と電圧をモニタリングすることで、アレイ型フォトダイオードの連結が確実に行われているか否かを確認するようにした調整機能付きアレイ型フォトダイオード。
【請求項２】
光学ビームを導くアレイ型光導波路と、前記アレイ型光導波路からの前記光学ビームを受光するアレイ型フォトダイオードと、前記アレイ型フォトダイオードのアレイ両端それぞれに設置された２個の調整用フォトダイオードと、前記２個の調整用フォトダイオードの調整用光学ビームそれぞれに連結された２個の調整用光導波路とを備えた調整機能付きアレイ型フォトダイオードの調整方法であって、
前記２個の調整用フォトダイオードの一方の出力が最大となるように前記アレイ型フォトダイオードに対して水平方向及び垂直方向に前記アレイ型光導波路を移動する工程と、
前記一方の調整用フォトダイオードの最大出力を維持しつつ、前記２個の調整用フォトダイオードの他方の出力が前記一方の調整用フォトダイオードの出力と同等になるように、前記一方の調整用フォトダイオードを軸として前記アレイ型光導波路を回転させる工程とを有する調整機能付きアレイ型フォトダイオードの調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、調整機能付きアレイ型フォトダイオードを備えたテラヘルツ波発生器及びその調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波帯（０．１〜１０ＴＨｚ）は、イメージング、センシング、セキュリティ、通信など多くの分野でその応用性が期待されている（非特許文献１）。テラヘルツ波は光の直進性を有するとともにプラスチック、紙、ゴム、木材、セラミックなど物質への透過性があり、安全な非破壊検査としての応用が期待されている。テラヘルツ波の発生・検出技術の飛躍的な進歩によって、その分光法であるテラヘルツ分光にも脚光が集まってきており、新しい化学センシング法としてその可能性が探求されている。また、ギガヘルツ（ＧＨｚ）帯の電波に比べ高い周波数分解能があることから、イメージングの空間分解能や無線通信の通信速度を向上させることが可能となる。アプリケーションとしてＩＴ応用（無線通信など）、農業・食品応用、セキュリティ応用（隠匿物検査、郵便物非破壊検査など）、バイオ・メディカル応用、環境計測応用、宇宙計測応用、工業応用（ＬＳＩ不良解析、新材料開発など）の分野が挙げられている。
【０００３】
テラヘルツ波の発生源として特に通信分野においては、大別して電子デバイスとフォトニックデバイスがある。フォトニックデバイスは広周波数帯域、同調性、安定性という利点があり（非特許文献１）、さらに、光ファイバーケーブルとの連結が容易な点に利点がある。その代表的なデバイスとして近赤外（１．３〜１．５５μｍ）で作動し、ミリ波帯からテラヘルツ波帯をカバーするフォトダイオードがある。マイクロ波に比べ高い周波数では、デバイスのキャパシタンス（電気容量）が増加するため、高周波では発生効率が低下する。高出力化のためにキャパシタンスを小さくするには、フォトダイオードのデバイスサイズを小さくする必要がある。ところが、フォトダイオードのサイズが小さくなると光ファイバーとの連結が難しくなる。別の方法として動作電流を大きくすればある程度の高出力化が可能だが、熱によりフォトダイオードのデバイス劣化が起こる可能性が高い。
【０００４】
このような問題点を考慮して、テラヘルツ波の高出力化の手法として、ミリ波帯で用いられているようなアレイ型デバイスから出力される複数の信号源をコンバイナー（合成器）により電力合成させることが考えられている（非特許文献２，３）。
【０００５】
図４、図５に従来のコンバイナを利用したテラヘルツ波発生器１００の例を示す。プレナー光波回路（ＰＬＣ）やファイバーのような、光学ビームを導く光導波路１０１、光学ビームの焦点を合わせたり光学ビームの方向を制御したりするのに用いる１つ又は複数のレンズＬｅｎｓ−１，Ｌｅｎｓ−２、アレイ型フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４、電力合成回路１０２、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４と電力合成回路１０２との間にあるインピーダンス整合回路網１０３、そしてＤＣバイアスのフォトダイオード用のその他のコンポーネント、例えバイパスキャパシタ１０６などから構成されている。
【０００６】
このような従来のテラヘルツ波発生器１００では、２Ｎ個のテラヘルツフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ２Ｎからの出力を結合させることで、出力を最大２Ｎ倍に上げることができる。すなわち、１６個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ１６なら出力を１６倍にできるということである。フォトダイオードＰＤｉ、電力合成回路１０２、そしてフォトダイオードＰＤｉと電力合成回路１０２との間にあるインピーダンス整合回路網１０３を単一のチップ１０５に統合することによって、テラヘルツ波光導波路１０１やインピーダンス整合回路網１０３、電力合成回路１０２における経路損失を最小限に抑えることができ、また、フォトダイオード間の距離を等しく定義することも可能になるため、結果的に電力結合効率を最大にすることができる。
【０００７】
しかしながら、この構成において、光導波路１０１（アレイ型光ファイバーあるいはプレナー型光波回路ＰＬＤ）とアレイ型フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４との間の光学ビームを整列する過程で問題がある。つまり、フォトダイオードの１つの電極が、ＤＣにおいて短絡を形成するテラヘルツ波電力合成回路１０２と電気的に結びついていることである。電力合成回路１０２の出力によって、全てのフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４から出力される光電流の総量のみを把握することができる。ミリ波に比べ、アレイ型デバイスが数十マイクロメートルと小さなテラヘルツ波デバイスの場合、いずれのデバイスも適正な照射の下で連結されているのかどうか、またどのデバイスが照射されていないのかを推定するのには不充分である。例えば、図４の４つの光学ビームＢｅａｍ１〜Ｂｅａｍ４のうち光学ビームＢｅａｍ４が１個のフォトダイオードＰＤ４とカップリングした場合でも、その他の何個のフォトダイオードが充分な照射下にあるのかということを特定できない。全てのフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４のバイアス網を分割すれば、各デバイスの光電流をチェックすることができる。しかしながら、その場合には、ワイヤーボンディング用のパッドが２Ｎ個（図４の例の場合には８個）必要となり、それらはフォトダイオードの数よりはるかに多いため、アレイ型フォトダイオードの全体の大きさが増大し、フォトダイオードアレイＩＣ１０５の空間的効率が著しく低下する。
【０００８】
そこで、従来、テラヘルツ波発生器としてアレイ型フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４を用いる場合、ミリ波帯に比べ個々のフォトダイオードデバイスが小さいため、光導波路１０１（アレイ型光ファイバーあるいはプレナー型光波回路ＰＬＣ）と確実に連結されているか否かを正確に確認する手法が求められていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「テラヘルツ波新産業」、斗内政吉監修、シーエムシー出版、２０１１年、Ｐ２３８−２４５、「１１章テラヘルツ波の情報通信利用」。
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、ＶＯＬ．４６、ＮＯ．４、Ｐ５４１−５４５、２０１０年。
【非特許文献３】ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＬＩＧＨＴＷＡＶＥ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ、ＶＯＬ．２８、ＮＯ．６、Ｐ９６５−９７１、３月１５日、２０１０年。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、従来技術の課題に鑑みてなされたもので、アレイ型フォトダイオードと光導波路との連結が確実に行われているか否かを確認することができ、テラヘルツ波の発生効率を最大にすることができるテラヘルツ波発生器及びその調整方法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】
【００１１】
本発明の１つの特徴は、光学ビームを導くアレイ型光導波路と、前記アレイ型光導波路からの前記光学ビームを受光するアレイ型フォトダイオードと、前記アレイ型フォトダイオードのアレイ両端それぞれに設置された２個の調整用フォトダイオードと、前記２個の調整用フォトダイオードの調整用光学ビームそれぞれに連結された２個の調整用光導波路とを備え、前記２個の調整用光導波路それぞれに、前記アレイ型光導波路とは別に前記２個の調整用フォトダイオードそれぞれに調整用光学ビームを導き、前記調整用フォトダイオードの光電流と電圧をモニタリングすることで、アレイ型フォトダイオードの連結が確実に行われているか否かを確認するようにしたテラヘルツ波発生器である。
【００１２】
また、本発明の別の特徴は、光学ビームを導くアレイ型光導波路と、前記アレイ型光導波路からの前記光学ビームを受光するアレイ型フォトダイオードと、前記アレイ型フォトダイオードのアレイ両端それぞれに設置された２個の調整用フォトダイオードと、前記２個の調整用フォトダイオードの調整用光学ビームそれぞれに連結された２個の調整用光導波路とを備えたテラヘルツ波発生器の調整方法であって、前記２個の調整用フォトダイオードの一方の出力が最大となるように前記アレイ型フォトダイオードに対して水平方向及び垂直方向に前記アレイ型光導波路を移動する工程と、前記一方の調整用フォトダイオードの出力を維持しつつ、前記２個の調整用フォトダイオードの他方の出力が前記一方の調整用フォトダイオードの出力と同等になるように、前記一方の調整用フォトダイオードを軸として前記アレイ型光導波路を回転させる工程とを有するテラヘルツ波発生器の調整方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のテラヘルツ波発生器によれば、２個の調整用フォトダイオードの一方の出力が最大となるようにアレイ型フォトダイオードに対して水平方向及び垂直方向にアレイ型光導波路を移動する工程と、一方の調整用フォトダイオードの出力を維持しつつ、２個の調整用フォトダイオードの他方の出力が一方の調整用フォトダイオードの出力と同等になるように、一方の調整用フォトダイオードを軸としてアレイ型光導波路を回転させる工程とにより、アレイ型フォトダイオードと光導波路との連結が確実に行われているか否かを確認することかできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の１つの実施の形態のテラヘルツ波発生器の素子レイアウト図。
【図２】上記実施の形態のテラヘルツ波発生器の調整方法の説明図。
【図３】上記実施の形態のテラヘルツ波発生器の調整方法によるステップ１〜ステップ３の各ステップでの２個の調整用フォトダイオードの出力の測定グラフ。
【図４】従来のテラヘル波発生器の素子レイアウト図。
【図５】従来のテラヘルツ波発生器の素子レイアウトの側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の１つの実施の形態の調整機能付きアレイ型フォトダイオードを有するテラヘルツ波発生器１０を示す。この実施の形態のテラヘルツ波発生器１０は、プレナー光波回路（ＰＬＣ）や光ファイバーのような、光学ビームを導くアレイ型光導波路１１、光学ビームの焦点を合わせたり光学ビームの方向を制御したりするのに用いる１つ又は複数のレンズＬｅｎｓ−１，Ｌｅｎｓ−２、アレイ型フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４、電力合成回路１２、アレイ型フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２，ＰＤ３，ＰＤ４と電力合成回路１２との間にあるインピーダンス整合回路網１３、そしてＤＣバイアスのフォトダイオード用のその他のコンポーネント、例えバイパスキャパシタ１４から構成されている。
【００１６】
そして本実施の形態の特徴として、アレイ型フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４の両端にさらに２個の調整用フォトダイオードｍＰＤ１，ｍＰＤ２を追加し、これらの追加された調整用フォトダイオードｍＰＤ１，ｍＰＤ２の調整用光学ビームｍＢｅａｍ１，ｍＢｅａｍ２にも調整用光導波路ｍ１１，ｍ１２を連結している。追加された調整用光導波路ｍ１１，ｍ１２は、配列の過程において、他の光導波路１１とは別に光信号を導く設定にしている。
【００１７】
本実施の形態の場合、一般に２Ｎ個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ２Ｎの一次元的なアレイ配列である場合、必要なのはフォトダイオードｍＰＤ１，ｍＰＤ２の２個と追加された光導波路ｍ１１，ｍ１２の２本のみである。さらに、アレイ型フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４の光電流を測定せずとも、調整用フォトダイオードｍＰＤ１，ｍＰＤ２の光電流Ｉｍ１，Ｉｍ２と電圧Ｖｍ１，Ｖｍ２をモニタリングすることで、アレイ型フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４の連結が確実に行われているかを確認することができ、テラヘルツ波の発生効率を最大にすることが可能である。
【００１８】
次に、上記実施の形態のテラヘルツ波発生器１０の調整方法について説明する。図２に示すように一次元的なアレイ型フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４を調整する場合を説明する。フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４、調整用フォトダイオードｍＰＤ１，ｍＰＤ２は、６４ミクロン間隔に６個配置してある。この配列のアレイ型フォトダイオードは、ＩｎＰプロセスを用いて作成したものである。使用したレーザーは波長１．５ミクロン（サンテック社製）でカプラーを使ってプレナー型の光導波路（出力のレーザービームの間隔は１２７ミクロン）の両端のみから放射されている。
【００１９】
図２のステップ１のように、調整用フォトダイオードｍＰＤ１の光導波路ｍ１１が給光し、光導波路ホルダーやレンズのセットを制御して、ｍＰＤ１からの光電流Ｉｍ１が最大に達するようにする。この段階では、光学ビームは水平Ｘ方向と垂直Ｙ方向のみに制御される。尚、図２において、軸ＡＸ１は、アレイ型フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４のアレイ軸であり、軸ＡＸ２は光学ビームのアレイ軸である。
【００２０】
次に図２のステップ２のように、もう一方の調整用フォトダイオードｍＰＤ２の光導波路ｍ１２も給光させ、レンズの倍率や光学ビームの角度を制御して、ｍＰＤ１の光電流Ｉｍ１を常に最大に保持しながら、ｍＰＤ２の光電流Ｉｍ２も最大に達するように、アレイ軸ＡＸ２方向(ｍ)に微調整するとともに、一方の調整用フォトダイオードｍＰＤ１を軸にした回転角φを調整する。光学ビームの角度φを制御する際には、ｍＰＤ１を軸に光導波路１１のホルダーを回転させてもよい。
【００２１】
結果を図３に示す。調整用フォトダイオードｍＰＤ１とｍＰＤ２の光電流Ｉｍ１，Ｉｍ２のバランス度合いを観察することが重要であり、最良の調整を実現するためには２つの光電流Ｉｍ１，Ｉｍ２が同等であることが理想である。図３のグラフにおいて、タイミングｔＡは調整用フォトダイオードｍＰＤ１に対して光電流が最大に達し、調整用フォトダイオードｍＰＤ２に対して微調整を開始したタイミングを示す。そしてタイミングｔＢは、調整用フォトダイオードｍＰＤ１の光電流Ｉｍ１を常に最大に保持しながら、他方の調整用フォトダイオードｍＰＤ２の光電流Ｉｍ２も最大に達するように微調整したタイミングを示す。
【００２２】
この調整により、図２のステップ３のように、全ての光学ビームは、各フォトダイオードの最適枠内に完全に一致するか、ほぼ一致すると想定される。したがって、この段階においては、フォトダイオード配列の光電流の総量Ｉ（ｍ１＋ｍ２）及びｍＰＤ１とｍＰＤ２の光電流Ｉｍ１，Ｉｍ２のバランスを観察しながら、光学ビームが正確に同調される（図３のステップ３）。
【００２３】
以上のテラヘルツ発生器１０に対する調整方法により、アレイ型フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４とアレイ型光導波路１１との連結が確実に行われているか否かを確認することかできる。
【符号の説明】
【００２４】
１０  テラヘルツ波発生器
１１  アレイ型光導波路
１２  電力合成回路
１３  インピーダンス整合回路網１３
１４  バイパスキャパシタ１４から構成されている。
【００２５】
１５  アレイ型フォトダイオードＩＣ
ＰＤ１〜ＰＤ４  アレイ型フォトダイオード
ｍＰＤ１，ｍＰＤ２  調整用フォトダイオード
ｍＢｅａｍ１，ｍＢｅａｍ２  調整用光学ビーム
ｍ１１，ｍ１２  調整用光導波路
【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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