(57)【要約】【課題】小型で、安定したテラヘルツ波を出射することができるテラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置を提供すること。【解決手段】本発明のテラヘルツ波発生装置１は、量子井戸層３２を含み、且つ、光パルスを生成する光パルス生成部４０と、量子井戸層３２を含む光伝導アンテナ５０と、を有し、光パルス生成部４０は、順バイアス電圧が印加される順バイアス印加部４２と、逆バイアス電圧が印加される逆バイアス印加部４４と、量子井戸層３２を導波する光の一部を反射する分布ブラッグ反射部４６と、を含み、光伝導アンテナ５０は、分布ブラッグ反射部４６を透過した光パルスを受けてテラヘルツ波を発生させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子井戸層を含み、且つ、光パルスを生成する光パルス生成部と、
前記量子井戸層を含む光伝導アンテナと、を有し、
前記光パルス生成部は、
順バイアス電圧が印加される順バイアス印加部と、
逆バイアス電圧が印加される逆バイアス印加部と、
前記量子井戸層を導波する光の一部を反射する分布ブラッグ反射部と、を含み、
前記光伝導アンテナは、
前記分布ブラッグ反射部を透過した光パルスを受けてテラヘルツ波を発生させることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項２】
前記分布ブラッグ反射部は、第１クラッド層と、前記量子井戸層と、第２クラッド層と、を有し、
前記第２クラッド層は、前記量子井戸層側に向かって複数の凸部を有してい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】
前記分布ブラッグ反射部は、第１クラッド層と、前記量子井戸層と、第２クラッド層と、を有し、
前記第２クラッド層は、前記量子井戸層側とは反対側に開口する複数の溝部を有してい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４】
前記光伝導アンテナは、逆バイアス電圧が印加されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置と、
前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて対象物の画像を生成する画像形成部と、
を備えていることを特徴とするイメージング装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置と、
前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物にて反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
を備えていることを特徴とするカメラ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波発生装置と、
前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて対象物を計測する計測部と、
を備えていることを特徴とする計測装置。
【請求項８】
前記テラヘルツ波検出部は、前記テラヘルツ波発生装置から出射される光パルスが照射され、
前記テラヘルツ波発生装置から前記テラヘルツ波検出部までの光パルスの光路長を変化させる遅延光学系を備えていることを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
【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、イメージング装置、カメラ、および計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、１００ＧＨｚ以上、３０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ波は、例えば、イメージング、分光計測等の各計測、非破壊検査等に用いることができる。
このテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置は、サブｐ秒（数百ｆ秒）程度のパルス幅をもつ光パルス（パルス光）を発生する光源装置と、光源装置で発生した光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナとを有している。
前記光伝導アンテナとしては、例えば、特許文献１に、光導波路とマイクロストリップ線路、光からテラヘルツ波に変換するための複数の半導体層を積層した光伝導素子とを同一基板上に集積化させたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−６６８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の光伝導アンテナを有するテラヘルツ波発生装置は、光源装置と光伝導アンテナとが一体化していないため、光源装置と光伝導アンテナとの光導波路同士を精度良くアライメントすることが難しく、光源装置から出射された光パルスが光伝導アンテナに入射されず外部に漏れ、効率良くテラヘルツ波を発生させることができないという虞があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］本適用例に係るテラヘルツ波発生装置は、量子井戸層を含み、且つ、光パルスを生成する光パルス生成部と、前記量子井戸層を含む光伝導アンテナと、を有し、前記光パルス生成部は、順バイアス電圧が印加される順バイアス印加部と、逆バイアス電圧が印加される逆バイアス印加部と、前記量子井戸層を導波する光の一部を反射する分布ブラッグ反射部と、を含み、前記光伝導アンテナは、前記分布ブラッグ反射部を透過した光パルスを受けてテラヘルツ波を発生させることを特徴とする。
【０００７】
本適用例によれば、光パルス生成部で生成した光パルスを導波する量子井戸層が光パルス生成部と、テラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、に一体化して形成されているため、光パルス生成部と光伝導アンテナとの光導波路同士のアライメントが不要となり、効率良くテラヘルツ波を発生させることができる。また、光パルス生成部に逆バイアス印加部が設けられているため、生成した光パルスを圧縮してパルス幅を減少させることができ、高い強度を有する光パルスを生成させることができる。更に、光伝導アンテナ側に分布ブラッグ反射部が設けられているため、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナへ入射させることができ、所望の波長を有するテラヘルツ波を効率良く発生させることができる。
【０００８】
［適用例２］上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置において、前記分布ブラッグ反射部は、第１クラッド層と、前記量子井戸層と、第２クラッド層と、を有し、第２クラッド層は、前記量子井戸層側に向かって複数の凸部を有していることが好ましい。
【０００９】
本適用例によれば、第２クラッド層が量子井戸層側に向かって複数の凸部を有していることにより、特定の波長の光パルスだけを反射するブラッグ反射を構成することができるため、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナへ導波し、所望の波長を有するテラヘルツ波を発生させることができる。
【００１０】
［適用例３］上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置において、前記分布ブラッグ反射部は、第１クラッド層と、前記量子井戸層と、第２クラッド層と、を有し、前記第２クラッド層は、前記量子井戸層側とは反対側に開口する複数の溝部を有していることが好ましい。
【００１１】
本適用例によれば、第２クラッド層が量子井戸層側とは反対側に開口する複数の溝部を有していることにより、特定の波長の光パルスだけを反射するブラッグ反射を構成することができるため、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナへ導波し、所望の波長を有するテラヘルツ波を発生させることができる。
【００１２】
［適用例４］上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置において、前記光伝導アンテナは、逆バイアス電圧が印加されていることが好ましい。
【００１３】
本適用例によれば、光伝導アンテナに逆バイアス電圧を印加することにより、光キャリアの加速度が大きくなる。そのため、光伝導アンテナから出射されるテラヘルツ波の強度を大きくすることができる。
【００１４】
［適用例５］本適用例に係るイメージング装置は、上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置と、前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて対象物の画像を生成する画像形成部と、を備えていることを特徴とする。
【００１５】
本適用例によれば、光パルス生成部と光伝導アンテナとが一体化された小型のテラヘルツ波発生装置を備えているため、小型で高性能なイメージング装置を構成することができる。
【００１６】
［適用例６］本適用例に係るカメラは、上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置と、前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物にて反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、を備えていることを特徴とする。
【００１７】
本適用例によれば、光パルス生成部と光伝導アンテナとが一体化された小型のテラヘルツ波発生装置を備えているため、小型で高性能なカメラを構成することができる。
【００１８】
［適用例７］本適用例に係る計測装置は、上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置と、前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて対象物を計測する計測部と、を備えていることを特徴とする。
【００１９】
本適用例によれば、光パルス生成部と光伝導アンテナとが一体化された小型のテラヘルツ波発生装置を備えているため、小型で高性能な計測装置を構成することができる。
【００２０】
［適用例８］上記適用例に記載の計測装置において、前記テラヘルツ波検出部は、前記テラヘルツ波発生装置から出射される光パルスが照射され、前記テラヘルツ波発生装置から前記テラヘルツ波検出部までの光パルスの光路長を変化させる遅延光学系を備えていることが好ましい。
【００２１】
本適用例によれば、テラヘルツ波発生装置がテラヘルツ波と光パルスを同時に出射することができるため、出射された光パルスを遅延光学系によりテラヘルツ波より遅らせて、対象物などに照射することができる。そのため、小型で高性能な計測装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線の概略断面図。
【図３Ａ】テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線の概略断面図。
【図３Ｂ】テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線の概略断面図。
【図３Ｃ】テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線の概略断面図。
【図３Ｄ】テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図１におけるＢ−Ｂ線の概略断面図。
【図３Ｅ】テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図１におけるＢ−Ｂ線の概略断面図。
【図３Ｆ】テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図１におけるＢ−Ｂ線の概略断面図。
【図４】本発明の第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す概略断面図。
【図５】本発明の実施形態に係るイメージング装置の構成を示すブロック図。
【図６】図５に示すイメージング装置のテラヘルツ波検出部を示す平面図。
【図７】対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフ。
【図８】対象物の物質Ａ、Ｂ、およびＣの分布を示す画像の図。
【図９】本発明の実施形態に係るカメラの構成を示すブロック図。
【図１０】本発明の実施形態に係るカメラの構成を示す斜視図。
【図１１】本発明の実施形態に係る計測装置の構成を示すブロック図。
【図１２】本発明の実施形態に係る計測装置としてのテラヘルツ分光分析装置の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせている。
【００２４】
［テラヘルツ波発生装置］
＜第１実施形態＞
先ず、本発明の第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１について、図１および図２を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線の概略断面図である。
【００２５】
テラヘルツ波発生装置１は、図１に示すように、半導体基板である基板１０と、基板１０上に設けられたバッファー層１２と、バッファー層１２上に設けられた第１クラッド層１４と、第１クラッド層１４上に設けられた活性層１６と、活性層１６上に設けられた第２クラッド層１８と、第２クラッド層１８上に設けられた絶縁層２０およびコンタクト層２２と、絶縁層２０およびコンタクト層２２上に設けられた複数の第２電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃと、基板１０のバッファー層１２が設けられている側とは反対側に設けられた第１電極２４と、を有している。
【００２６】
基板１０としては、ｎ型の半導体、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板などを用いることができる。
バッファー層１２は、上方に形成される層の結晶性を向上させることができ、例えば、基板１０よりも結晶性の良好なｎ型ＧａＡｓ層などを用いることができる。
【００２７】
第１クラッド層１４は、ｎ型の半導体、例えば、ｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層などを用いることができる。
活性層１６は、ｉ型の半導体を積層した層、例えば、ｉ型ＧａＡｓ層とｉ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層とを交互に積層した層などを用いることができる。
第２クラッド層１８は、ｐ型の半導体、例えば、ｐ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層などを用いることができる。
【００２８】
絶縁層２０としては、絶縁性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、フッ素系樹脂、ポリイミド、ポラジン系化合物、水素化ヒロキサン、ベンゾシクロブテン、ＳｉＮ、ＳｉＯ2などが挙げられる。
コンタクト層２２は、ｐ型の半導体、例えば、ｐ型ＧａＡｓ層などを用いることができる。
【００２９】
第１電極２４は、基板１０側からＣｒ層、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の順序で積層した層などを用いることができる。
第２電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃは、コンタクト層２２側からＣｒ層、Ｐｔ層、Ｔｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層の順で積層した層などを用いることができる。
【００３０】
また、テラヘルツ波発生装置１において、活性層１６は、図２に示すように、第１クラッド層１４上に設けられたガイド層３０と、ガイド層３０上に設けられた光パルスが導波する量子井戸層３２と、量子井戸層３２上に設けられたバリア層３４と、バリア層３４上に設けられた量子井戸層３２と、量子井戸層３２上に設けられたガイド層３０と、を含み構成されている。なお、本実施形態では、ガイド層３０の間に、量子井戸層３２とバリア層３４とを交互に複数ずつ設けてなる多重量子井戸と呼ばれる構造である。しかし、これに限定されず、量子井戸層３２の上下をガイド層３０で挟んだ単一量子井戸構造や量子井戸層３２単層であっても構わない。
【００３１】
ガイド層３０およびバリア層３４の構成材料は、ｉ型の半導体であり、例えば、ｉ型ＡｌＧａＡｓ層などである。また、量子井戸層３２の構成材料は、ｉ型の半導体であり、例えば、ｉ型ＧａＡｓ層などである。
【００３２】
更に、テラヘルツ波発生装置１は、光パルスを生成する光パルス生成部４０と、光パルス生成部４０で生成された光パルスを受けてテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナ５０と、を有している。また、テラヘルツ波発生装置１は、光パルス生成部４０と光伝導アンテナ５０とが一体化、すなわち同一基板１０上に集積されており、光パルスが導波する量子井戸層３２を含む活性層１６が光パルス生成部４０と光伝導アンテナ５０とに一体化して配置されている。
なお、テラヘルツ波とは、周波数が、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波、特に、３００ＧＨｚ以上３ＴＨｚ以下の電磁波をいう。
【００３３】
次に、テラヘルツ波発生装置１を構成する光パルス生成部４０と光伝導アンテナ５０とについて説明する。
【００３４】
光パルス生成部４０は、コンタクト層２２上に設けられた第２電極２６ａを有する順バイアス印加部４２と、コンタクト層２２上に設けられた第２電極２６ｂを有する逆バイアス印加部４４と、分布ブラッグ反射部４６と、を有している。順バイアス印加部４２は、電源５２ａから第１電極２４と第２電極２６ａとの間に順方向の電圧が印加される。また、逆バイアス印加部４４は、電源５２ｂから第１電極２４と第２電極２６ｂとの間に逆方向の電圧が印加される。
【００３５】
順バイアス印加部４２は、ｐ型半導体である第２クラッド層１８と、ｉ型半導体である活性層１６と、ｎ型半導体である第１クラッド層１４と、により構成されたｐｉｎ構造である。よって、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８の各々は、活性層１６よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層であるため、活性層１６は光を増幅する機能を有する。また、第１クラッド層１４および第２クラッド層１８は、活性層１６を挟んで、注入キャリア（電子および正孔）並びに光を閉じ込める機能を有する。
【００３６】
従って、第１電極２４と第２電極２６ａとの間（ｐｉｎ構造部）に、順方向の電圧を印加すると、活性層１６において電子と正孔とが再結合が起こり、この再結合により発光する。発光は連鎖的に誘導放出が起こる。発光した光は、逆バイアス印加部４４と分布ブラッグ反射部４６との境界面と、順バイアス印加部４２の逆バイアス印加部４４側とは反対側の端部である第１側面２８ａと、の間を往復することで光の強度が増幅される。
【００３７】
逆バイアス印加部４４も、ｐ型半導体である第２クラッド層１８と、ｉ型半導体である活性層１６と、ｎ型半導体である第１クラッド層１４と、により構成されたｐｉｎ構造である。しかし、第１電極２４と第２電極２６ｂとの間（ｐｉｎ構造部）に、逆方向の電圧を印加すると、入射光量が大きいほど吸収率が低い特性を有する可飽和吸収体となる。
【００３８】
そのため、順バイアス印加部４２で生成した光は、光の波形における裾部がピーク部に比べ吸収率が高いので、可飽和吸収体である逆バイアス印加部４４を通過すればするほど、光の波形における裾部がカットされ、パルス幅の狭い光パルスとなる。また、可飽和吸収体は、発光した光の位相を揃える働きもするため、何回も逆バイアス印加部４４を通過することにより位相が揃い光パルスが圧縮してパルス幅が減少した光パルスを生成することができる。
【００３９】
なお、順バイアス印加部４２では、複数の縦モードで発光するため、順バイアス印加部４２および逆バイアス印加部４４では、複数の波長を有するパルス幅の狭い光パルスを生成させることができる。順バイアス印加部４２および逆バイアス印加部４４で生成された光パルスは、順バイアス印加部４２側の量子井戸層３２の第１側面２８ａから外部へ、また、逆バイアス印加部４４と分布ブラッグ反射部４６との境界面から分布ブラッグ反射部４６へ、出射される。
【００４０】
分布ブラッグ反射部４６は、第１クラッド層１４と、活性層１６を構成する量子井戸層３２と、第２クラッド層１８と、を含み構成されている。第２クラッド層１８は、量子井戸層３２側に向かって複数の凸部４８を有している。第２クラッド層１８の凸部４８が周期的に配置されていることにより、回折格子として作用し、特定の波長の光を選択的に反射させることができる。そのため、順バイアス印加部４２および逆バイアス印加部４４で生成された複数の波長を有する光パルスの中から所望の波長の光パルスのみを透過し光伝導アンテナ５０へ入射することができる。
【００４１】
なお、活性層１６のガイド層３０の幅寸法Ｌ１と、第２クラッド層１８の凸部４８の幅寸法Ｌ２と、はガイド層３０および第２クラッド層１８の屈折率ｎが同じとすると、（ｍ×λ0／４×ｎ）となるように配置されている。ここで、回折次数ｍは自然数であり通常は１であり、所望の光の波長λ0が８００ｎｍで、屈折率ｎが３．５であると、Ｌ１とＬ２とは５７ｎｍとなる。
【００４２】
光伝導アンテナ５０は、コンタクト層２２上に設けられた第２電極２６ｃを有し、電源５２ｃから第１電極２４と第２電極２６ｃとの間に逆方向の電圧が印加される。
光伝導アンテナ５０に逆バイアス電圧を印加することにより、分布ブラッグ反射部４６を透過し光伝導アンテナ５０に入射した所望の波長の光パルスの光キャリアの加速度が大きくなるため、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。
また、光伝導アンテナ５０で発生したテラヘルツ波は、光伝導アンテナ５０の分布ブラッグ反射部４６側とは反対側の量子井戸層３２の第２側面２８ｂから出射される。
【００４３】
以上で述べたように、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１は、光パルス生成部４０で生成した光パルスを導波する量子井戸層３２が光パルス生成部４０と、テラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナ５０と、に一体化して形成されているため、光パルス生成部４０と光伝導アンテナ５０との光導波路同士のアライメントが不要となり、効率良くテラヘルツ波を発生させることができる。また、光パルス生成部４０に逆バイアス印加部４４が設けられているため、生成した光パルスを圧縮してパルス幅を減少させることができ、高い強度を有する光パルスを生成させることができる。更に、逆バイアス印加部４４と光伝導アンテナ５０との間に分布ブラッグ反射部４６が設けられているため、順バイアス印加部４２および逆バイアス印加部４４で生成された複数の波長を有する光パルスの中から所望の波長の光パルスのみを透過し、光伝導アンテナ５０へ入射させることができ、所望の波長を有するテラヘルツ波を効率良く発生させることができる。
【００４４】
また、第２クラッド層１８が量子井戸層３２側に向かって複数の凸部４８を有していることにより、特定の波長の光パルスだけを反射するブラッグ反射ミラーを構成することができるため、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナ５０へ導波し、所望の波長を有するテラヘルツ波を効率良く発生させることができる。
【００４５】
また、光伝導アンテナ５０に逆バイアス電圧を印加することにより、光キャリアの加速度が大きくなる。そのため、光伝導アンテナ５０から出射されるテラヘルツ波の強度を大きくすることができる。
【００４６】
［製造方法］
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１の製造方法について、図３Ａから図３Ｆを参照して説明する。
図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃは、テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図１におけるＡ−Ａ線の概略断面図である。図３Ｄ、図３Ｅ、および図３Ｆは、テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図１におけるＢ−Ｂ線の概略断面図である。
【００４７】
先ず、基板１０を準備し、図３Ａに示すように、基板１０上に、バッファー層１２、第１クラッド層１４、およびガイド層３０と量子井戸層３２とバリア層３４とを積層することで構成される活性層１６を、この順でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いることができる。
【００４８】
次に、図３Ｂに示すように、活性層１６を構成するガイド層３０に溝部４９を形成する。溝部４９は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成される。
【００４９】
その後、図３Ｃに示すように、溝部４９が形成されている活性層１６を構成するガイド層３０上に、第２クラッド層１８とコンタクト層２２とを、この順で、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法などを用いて、エピタキシャル成長させる。
【００５０】
次に、図３Ｄに示すように、第２クラッド層１８とコンタクト層２２とに光パルスの導波路となる凸部４８ａを形成する。凸部４８ａは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成される。
【００５１】
その後、図３Ｅに示すように、凸部４８ａを除く第２クラッド層１８上に絶縁層２０を形成する。絶縁層２０は、例えば、スピンコーターなどで塗布後、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成される。
【００５２】
次に、図３Ｆに示すように、絶縁層２０とコンタクト層２２上に第２電極２６ａを形成する。第２電極２６ａは、例えば、真空蒸着法により全面に形成した後、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成される。なお、本実施形態では、順バイアス印加部４２の第２電極２６ａを一例として説明しているが、逆バイアス印加部４４の第２電極２６ｂや光伝導アンテナ５０の第２電極２６ｃも同様の方法で形成される。
【００５３】
その後、基板１０のバッファー層１２側とは反対側に第１電極２４を形成する。第１電極２４は、例えば、真空蒸着法により基板１０の全面に形成してもよいが、第２電極２６ａと同様に全面に形成した後、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングして形成しても構わない。
なお、第１電極２４および第２電極２６ａの形成順序は、特に限定されない。
【００５４】
以上の工程により、光パルスが導波する量子井戸層３２を含む活性層１６が光パルス生成部４０と、光伝導アンテナ５０と、に一体化して形成され、同一基板１０上に集積されて、効率良くテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置１を製造することができる。
【００５５】
なお、本実施形態のテラヘルツ波発生装置１は、外形の大きさが厚みが約０．３５ｍｍ、短手方向の長さが約２ｍｍ、長手方向の長さが約１０ｍｍと非常に小型化でき、半導体設備を用いて大量生産することができるので、大幅な低コスト化を図ることができる。
【００５６】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１ａについて、図４を参照して説明する。
図４は、本発明の第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す概略断面図である。
以下、第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１ａについて、前述した第１実施形態のテラヘルツ波発生装置１との相違点を中心に説明する。また、同様の構成には、同一符号を付してあり、同様の事項については、その説明を省略する。
【００５７】
第２実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１ａは、図４に示すように、分布ブラッグ反射部４６ａの構成が異なる。
テラヘルツ波発生装置１ａにおける分布ブラッグ反射部４６ａは、第１クラッド層１４と、活性層１６を構成する量子井戸層３２と、第２クラッド層１８と、を含み構成されている。第２クラッド層１８は、量子井戸層３２側とは反対側に開口する複数の溝部４９ａを有している。第２クラッド層１８の溝部４９ａが周期的に配置されていることにより、回折格子として作用し、特定の波長の光を選択的に反射させることができる。そのため、順バイアス印加部４２および逆バイアス印加部４４で生成された複数の波長を有する光パルスの中から所望の波長の光パルスのみを透過し光伝導アンテナ５０へ入射することができる。
【００５８】
なお、活性層１６のガイド層３０および第２クラッド層１８の幅寸法Ｌ３は、ガイド層３０および第２クラッド層１８の屈折率ｎが３．５と同じとすると、（ｍ×λ0／４×ｎ）より、回折次数ｍを１とし、所望の光の波長λ0が８００ｎｍであると、第１実施形態のＬ１と同様に５７ｎｍとなる。また、活性層１６のガイド層３０および第２クラッド層１８の溝部４９ａの幅寸法Ｌ４は、溝部４９ａが空気であるため、（ｍ×λ0／４）である。そのため、回折次数ｍを１とし、所望の光の波長λ0が８００ｎｍであると、Ｌ４は２００ｎｍとなる。従って、溝部４９ａは、幅寸法Ｌ３とＬ４が５７ｎｍと２００ｎｍの間隔で配置されている。
【００５９】
このような構成とすることにより、特定の波長の光パルスだけを反射するブラッグ反射を構成することができるため、光パルス生成部４０ａで生成した光パルスにおいて、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナ５０へ導波し、所望の波長を有するテラヘルツ波を発生させることができる。
【００６０】
［イメージング装置］
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１を備えたイメージング装置１００について、図５から図８を参照して説明する。
図５は、本発明の実施形態に係るイメージング装置の構成を示すブロック図である。図６は、図５に示すイメージング装置のテラヘルツ波検出部を示す平面図である。図７は、対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフである。図８は、対象物の物質Ａ、Ｂ、およびＣの分布を示す画像の図である。
【００６１】
イメージング装置１００は、図５に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置１と、テラヘルツ波発生装置１から出射し、対象物１１０を透過または反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１２０と、テラヘルツ波検出部１２０の検出結果に基づいて、対象物１１０の画像、すなわち、画像データを生成する画像形成部１３０とを備えている。なお、テラヘルツ波発生装置１については、その説明を省略する。
【００６２】
また、テラヘルツ波検出部１２０としては、図６に示すように、目的の波長のテラヘルツ波を通過させるフィルター１５０と、フィルター１５０を通過した前記目的の波長のテラヘルツ波を検出する検出部１７０とを備えたものを用いる。また、検出部１７０としては、例えば、テラヘルツ波を熱に変換して検出するもの、すなわち、テラヘルツ波を熱に変換し、そのテラヘルツ波のエネルギー（強度）を検出し得るものを用いる。このような検出部としては、例えば、焦電センサー、ボロメーター等が挙げられる。なお、テラヘルツ波検出部１２０としては、前記の構成のものに限定されないことは、言うまでもない。
【００６３】
また、フィルター１５０は、２次元的に配置された複数の画素（単位フィルター部）１６０を有している。すなわち、各画素１６０は、行列状に配置されている。
また、各画素１６０は、互いに異なる波長のテラヘルツ波を通過させる複数の領域、すなわち、通過させるテラヘルツ波の波長（以下、「通過波長」とも言う）が互いに異なる複数の領域を有している。なお、図示の構成では、各画素１６０は、第１の領域１６１、第２の領域１６２、第３の領域１６３、および第４の領域１６４を有している。
【００６４】
また、検出部１７０は、フィルター１５０の各画素１６０の第１の領域１６１、第２の領域１６２、第３の領域１６３および第４の領域１６４に対応してそれぞれ設けられた第１の単位検出部１７１、第２の単位検出部１７２、第３の単位検出部１７３、および第４の単位検出部１７４を有している。各第１の単位検出部１７１、各第２の単位検出部１７２、各第３の単位検出部１７３、および各第４の単位検出部１７４は、それぞれ、各画素１６０の第１の領域１６１、第２の領域１６２、第３の領域１６３、および第４の領域１６４を通過したテラヘルツ波を熱に変換して検出する。これにより、各画素１６０のそれぞれにおいて、４つの目的の波長のテラヘルツ波をそれぞれ確実に検出することができる。
【００６５】
次に、イメージング装置１００の使用例について説明する。
先ず、分光イメージングの対象となる対象物１１０が、３つの物質Ａ、ＢおよびＣで構成されているとする。イメージング装置１００は、この対象物１１０の分光イメージングを行う。また、ここでは、一例として、テラヘルツ波検出部１２０は、対象物１１０を反射したテラヘルツ波を検出することとする。
テラヘルツ波検出部１２０のフィルター１５０の各画素１６０においては、第１の領域１６１および第２の領域１６２を使用する。
【００６６】
また、第１の領域１６１の通過波長をλ１、第２の領域１６２の通過波長をλ２とし、対象物１１０で反射したテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度をα１、波長λ２の成分の強度をα２としたとき、その強度α２と強度α１の差分（α２−α１）が、物質Ａと物質Ｂと物質Ｃとで、互いに顕著に区別できるように、前記第１の領域１６１の通過波長λ１および第２の領域１６２の通過波長λ２が設定されている。
【００６７】
図７に示すように、物質Ａにおいては、対象物１１０で反射したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と波長λ１の成分の強度α１の差分（α２−α１）は、正値となる。
また、物質Ｂにおいては、強度α２と強度α１の差分（α２−α１）は、零となる。
また、物質Ｃにおいては、強度α２と強度α１の差分（α２−α１）は、負値となる。
【００６８】
イメージング装置１００により、対象物１１０の分光イメージングを行う際は、先ず、テラヘルツ波発生装置１により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物１１０に照射する。そして、対象物１１０で反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１２０で、α１およびα２として検出する。この検出結果は、画像形成部１３０に送出される。なお、この対象物１１０へのテラヘルツ波の照射および対象物１１０で反射したテラヘルツ波の検出は、対象物１１０の全体に対して行う。
【００６９】
画像形成部１３０においては、前記検出結果に基づいて、フィルター１５０の第２の領域１６２を通過したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と、第１の領域１６１を通過したテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度α１の差分（α２−α１）を求める。そして、対象物１１０のうち、前記差分が正値となる部位を物質Ａ、前記差分が零となる部位を物質Ｂ、前記差分が負値となる部位を物質Ｃと判断し、特定する。
【００７０】
また、画像形成部１３０では、図８に示すように、対象物１１０の物質Ａ、Ｂ、およびＣの分布を示す画像の画像データを作成する。この画像データは、画像形成部１３０から図示しないモニターに送出され、そのモニターにおいて、対象物１１０の物質Ａ、Ｂ、およびＣの分布を示す画像が表示される。この場合、例えば、対象物１１０の物質Ａの分布する領域は黒色（図８では交差線で示す）、物質Ｂの分布する領域は灰色（図８では斜線で示す）、物質Ｃの分布する領域は白色に色分けして表示される。このイメージング装置１００では、以上のように、対象物１１０を構成する各物質の同定と、その各物質の分布測定とを同時に行うことができる。
【００７１】
なお、イメージング装置１００の用途は、前記のものに限らず、例えば、人物に対してテラヘルツ波を照射し、その人物を透過または反射したテラヘルツ波を検出し、画像形成部１３０において処理を行うことにより、その人物が、拳銃、ナイフ、違法な薬物等を所持しているか否かを判別することもできる。
【００７２】
［カメラ］
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１を備えたカメラ２００について、図９および図１０を参照して説明する。
図９は、本発明の実施形態に係るカメラの構成を示すブロック図である。図１０は、本発明の実施形態に係るカメラの構成を示す斜視図である。
以下、カメラ２００の実施形態について、前述したイメージング装置１００の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその詳細な説明を省略する。
【００７３】
カメラ２００は、図９および図１０に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置１と、テラヘルツ波発生装置１から出射し、対象物２１０にて反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部２２０とを備えている。そして、これらの各部はカメラ２００の筐体２５０に収められている。また、対象物２１０にて反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部２２０に収束（結像）させるレンズ２６０と、テラヘルツ波発生装置１にて発生したテラヘルツ波を筐体２５０の外部へ出射させるための窓部２７０を備える。レンズ２６０や窓部２７０はテラヘルツ波を透過・屈折させるシリコン、石英、ポリエチレンなどの部材によって構成されている。なお、窓部２７０は、スリットのように単に開口が設けられている構成としても良い。
【００７４】
次に、カメラ２００の使用例について説明する。
カメラ２００により、対象物２１０を撮像する際は、先ず、テラヘルツ波発生装置１により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物２１０に照射する。そして、対象物２１０にて反射したテラヘルツ波をレンズ２６０によってテラヘルツ波検出部２２０に収束（結像させて）検出する。この検出結果は、記憶部２３０に送出され、記憶される。なお、この対象物２１０へのテラヘルツ波の照射および対象物２１０にて反射したテラヘルツ波の検出は、対象物２１０の全体に対して行う。また、前記検出結果は、例えば、パーソナルコンピューター等の外部装置に送信することもできる。パーソナルコンピューターでは、前記検出結果に基づいて、各処理を行うことができる。
【００７５】
［計測装置］
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１を備えた計測装置３００について、図１１を参照して説明する。
図１１は、本発明の実施形態に係る計測装置の構成を示すブロック図である。
以下、計測装置３００の実施形態について、前述したイメージング装置１００の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその詳細な説明を省略する。
【００７６】
計測装置３００は、図１１に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置１と、テラヘルツ波発生装置１から出射し、対象物３１０を透過または反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部３２０と、テラヘルツ波検出部３２０の検出結果に基づいて、対象物３１０を計測する計測部３３０とを備えている。
【００７７】
次に、計測装置３００の使用例について説明する。
計測装置３００により、対象物３１０の分光計測を行う際は、先ず、テラヘルツ波発生装置１により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物３１０に照射する。そして、対象物３１０を透過または反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部３２０で検出する。この検出結果は、計測部３３０に送出される。なお、この対象物３１０へのテラヘルツ波の照射および対象物３１０を透過または反射したテラヘルツ波の検出は、対象物３１０の全体に対して行う。
【００７８】
計測部３３０においては、前記検出結果から、図６に示すイメージング装置１００のテラヘルツ波検出部１２０と同様に、テラヘルツ波検出部３２０内のフィルター１５０の第１の領域１６１、第２の領域１６２、第３の領域１６３および第４の領域１６４を通過したテラヘルツ波のそれぞれの強度を把握し、対象物３１０の成分およびその分布の分析等を行う。
【００７９】
［テラヘルツ分光分析装置］
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１を備えた計測装置３００としてのテラヘルツ分光分析装置３００ａについて、図１２を参照して説明する。
図１２は、本発明の実施形態に係る計測装置としてのテラヘルツ分光分析装置の構成を示すブロック図である。
以下、テラヘルツ分光分析装置３００ａの実施形態について、前述した計測装置３００の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその詳細な説明を省略する。
【００８０】
テラヘルツ分光分析装置３００ａは、図１２に示すように、テラヘルツ波および光パルスを出射するテラヘルツ波発生装置１と、対象物３１０ａを透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部３２０ａと、テラヘルツ波検出部３２０ａの検出結果に基づいて対象物３１０ａを計測する計測部３３０ａと、を備え、更に、テラヘルツ波発生装置１からテラヘルツ波検出部３２０ａまでの光パルスの光路長を変化させる遅延光学系３５０を備えている。
【００８１】
次に、テラヘルツ分光分析装置３００ａの使用例について説明する。
テラヘルツ分光分析装置３００ａにより、対象物３１０ａの分光計測を行う際は、先ず、テラヘルツ波発生装置１からテラヘルツ波および光パルスを出射する。
テラヘルツ波発生装置１から出射したテラヘルツ波は、曲面ミラー３４０ａで集光され対象物３１０ａに照射される。対象物３１０ａを透過したテラヘルツ波は再び曲面ミラー３４０ｂで集光され、テラヘルツ波検出部３２０ａに入射される。
【００８２】
テラヘルツ波発生装置１から出射した光パルスは、反射ミラー３６０ａで反射され、テラヘルツ波発生装置１からテラヘルツ波検出部３２０ａまでの光パルスの光路長を変化させる遅延光学系３５０に入射される。遅延光学系３５０は、４つの反射ミラー３６０ｂ，３６０ｃ，３６０ｄ，３６０ｅで構成され、４つの反射ミラー３６０ｂ，３６０ｃ，３６０ｄ，３６０ｅの間隔を調整することにより光路長を変化させ、テラヘルツ波検出部３２０ａへの到達時間を遅延させることができる。
遅延光学系３５０を通過した光パルスは、反射ミラー３６０ｆで反射され、テラヘルツ波検出部３２０ａに入射される。
【００８３】
なお、本実施形態では遅延光学系３５０を４つの反射ミラー３６０ｂ，３６０ｃ，３６０ｄ，３６０ｅを用いているが、これに限定されることはなく、２つ又は３つ、或いは５つ以上の構成であってもよい。
【００８４】
テラヘルツ波検出部３２０ａは、光伝導アンテナで構成される。テラヘルツ波検出部３２０ａに対象物３１０ａを透過したテラヘルツ波が入射されると、テラヘルツ波検出部３２０ａのアンテナ部（図示せず）に電場が生じ、この部分に到達する時間が遅延した光パルスを照射すると、テラヘルツ波の電場強度に応じた光電流が流れる。光電流の電流値、すなわち電場強度の値から計測部３３０ａで所定の理論式に基づいて演算することにより、対象物３１０ａの電気的特性や不純物濃度等が得られる。これらの測定値は必要に応じてディスプレイ（図示せず）に表示される。
【００８５】
また、テラヘルツ波発生装置１から出射した光パルスのテラヘルツ波検出部３２０ａへ到達する遅延時間を変更しながら、テラヘルツ波検出部３２０ａで検出される対象物３１０ａを透過したテラヘルツ波の電場強度を測定することにより、時系列テラヘルツ分光が可能となる。
【００８６】
以上、本発明のテラヘルツ波発生装置１，１ａ、イメージング装置１００、カメラ２００、計測装置３００、およびテラヘルツ分光分析装置３００ａについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１，１ａ…テラヘルツ波発生装置、１０…基板、１２…バッファー層、１４…第１クラッド層、１６…活性層、１８…第２クラッド層、２０…絶縁層、２２…コンタクト層、２４…第１電極、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…第２電極、２８ａ…第１側面、２８ｂ…第２側面、３０…ガイド層、３２…量子井戸層、３４…バリア層、４０…光パルス生成部、４２…順バイアス印加部、４４…逆バイアス印加部、４６…分布ブラッグ反射部、４８，４８ａ…凸部、４９，４９ａ…溝部、５０…光伝導アンテナ、５２ａ，５２ｂ，５２ｃ…電源、１００…イメージング装置、２００…カメラ、３００…計測装置、３００ａ…テラヘルツ分光分析装置。
【図１】
2017084991.tif 000003
【図２】
2017084991.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2017084991.tif 000006
【図３Ｃ】
2017084991.tif 000007
【図３Ｄ】
2017084991.tif 000008
【図３Ｅ】
2017084991.tif 000009
【図３Ｆ】
2017084991.tif 000010
【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】
2017084991.tif 000015
【図９】
2017084991.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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