(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０ＧＨｚ−１００ＴＨｚの周波数範囲内でパルス放射を発生または検出するためのデバイスであって、
前記デバイスへ光波を伝送するための光ファイバと、
前記光ファイバが放射する光波の倍率を縮小して、最適なスポットの大きさにするための、前記光ファイバに隣接する中継光学系と、
前記中継光学系によって倍率を縮小された光波を受光し、１０ＧＨｚ−１００ＴＨｚの周波数範囲内で前記放射を処理または形成するための、前記中継光学系に隣接して配置されているテラヘルツ・デバイスと、
前記中継光学系を収容し、前記ファイバが内部に導入され、かつ前記テラヘルツ・デバイスを定位置に固定されたハウジングと、
前記中継光学系および前記光ファイバを互いに整合させて支持する装着プレートと、
前記ハウジングの底部に設けられ、前記中継光学系を前記テラヘルツ・デバイスに高さ方向で整合させるべく、前記装着プレートを支持する厚みの選定されたライザ・ブロックと、
を備えるデバイス。
【請求項２】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記ハウジングが、底面、蓋および周辺壁部により形成されているデバイス。
【請求項３】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記中継光学系がＧＲＩＮレンズであるデバイス。
【請求項４】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記テラヘルツ・デバイスがＧａＡｓ半導体を含むデバイス。
【請求項５】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記テラヘルツ・デバイスが一組のバイアス電極を含むデバイス。
【請求項６】
請求項１記載のデバイスにおいて、さらに、前記テラヘルツ・デバイスを前記中継光学系に隣接して位置させるために、前記ハウジングに接着している窓を備えるデバイス。
【請求項７】
請求項６記載のデバイスにおいて、前記窓が、前記窓上に前記テラヘルツ・デバイスを位置させるための少なくとも１つの基準点を含むデバイス。
【請求項８】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記装着プレートが、その上に前記中継光学系を位置させるための少なくとも１つの基準点を含むデバイス。
【請求項９】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記装着プレートが、さらに、前記中継光学系を収容し、方向づけするための縦方向のスロットを備えるデバイス。
【請求項１０】
請求項１記載のデバイスにおいて、前記装着プレートが、さらに、その上で電気エネルギーを伝送するための導電トレースを備えるデバイス。
【請求項１１】
請求項６記載のデバイスにおいて、前記窓が、前記窓に対して前記装着プレートを整合させるための少なくとも１つの基準点を含むデバイス。
【請求項１２】
請求項１記載のデバイスにおいて、さらに、前記テラヘルツ・デバイスにより処理されるまたは形成された前記放射の発散を低減するための、無収差のレンズを備えるデバイス。
【請求項１３】
請求項１記載のデバイスにおいて、さらに、前記ファイバを前記ハウジングの床に対して予め定めたファイバ高さに位置させるためのファイバ・ピロー・ブロックを備えるデバイス。
【請求項１４】
請求項１記載のデバイスにおいて、さらに、前記ハウジングを密封するために、前記ハウジング内の開口部と係合することができる蓋を備えるデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、テラヘルツ送信機モジュールまたはテラヘルツ受信機モジュールに関し、特に丈夫でモジュール・タイプのパッケージされたテラヘルツ送信機モジュールおよびテラヘルツ受信機モジュールに関する。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、市販のパッケージ・タイプのシステムにおける、パルス・レーザによるテラヘルツ電磁放射の発生に関する。実験室環境内のような以前の用途の場合には、無視できる程度の分散効果を発生するだけで、空間を通してレーザを直接光学的スイッチング素子に照射することができた。このようなシステムを商業的に使用できるようにするためには、本発明を工業的に強化し、パッケージしなければならない。室内環境でのレーザ・パルスは、対象物または人体により偏向を受ける場合があり、大気の影響、工業的環境での許容できない条件により劣化を起こす。整合機構の材料特性は環境の影響を受けるので、レーザを絶えず再整合しなければならない。本発明に光ファイバ・ケーブルおよび丈夫なパッケージを内蔵させることにより、レーザ光に所与の経路を与えることができ、本発明を正確に整合させることができ、しっかりと設置することができ、コンパクトな形にまとめることができる。頑丈にパッケージされたファイバ伝送タイプのテラヘルツ・システムを使用することにより、設置、整合または超高速レーザの調整、半導体物理学、および光学に馴染みのない人でも、実験室環境以外の環境での実験および用途に時間領域のテラヘルツ・システムを使用することができる。
【０００３】
ファイバ伝送タイプのテラヘルツ・システムのもう１つの利点は、送信実験または反射実験の際に使用するために、システムを容易に再構成するができることである。現在、このタイプの再構成を行うには数日かかる。本発明のシステムを使用した場合には、数分で再構成することができる。特に、これらのユニットを十分な精度で組み立て、工業的環境で使用できるように、頑丈な状態に維持するためには、テラヘルツ・トランシーバを高度の電気通信パッケージ技術で組み立てなければならない。ファイバ伝送システムにより、基板上に短い（＜１ｐｓ）光パルスを照射することにより、テラヘルツ・トランシーバを好きな場所に設置することができる。すでに説明したように、本発明の時間領域のテラヘルツ・システムおよび周波数領域のテラヘルツス・システムは、研究のための実験室だけでしか使用することができない。光ファイバ・パッケージ技術を使用することにより、これらのデバイスを製造することができ、研究関係者以外の人でも使用できるようにすることができる。基本的な概念は、テラヘルツ送信機および／または受信機の近くにファイバを固定することであり、本発明により、従来の自由空間システムに優る優れた利点を持たせることである。
【０００４】
しかし、テラヘルツ送信機デバイスまたはテラヘルツ受信機デバイスまで、ファイバを端部同士で簡単に接続する場合、いくつかの不都合な点がある。最初、発生したテラヘルツ放射は、好適には、空気を通して高い誘電率の基板材料と結合し、それにより、このエミッタの効率が改善する。ファイバの端部を基板の端部と接続すると、放射が、放出開口部からずれて、ファイバと結合し、効率が低下する。また、単一モードファイバの端部から放出される光のビームの大きさが、約５μｍまたはそれ以上になる。これでは、テラヘルツの放射を正しく発生したり、または検出したりするのには大きすぎる。
【０００５】
本発明のテラヘルツ・システムのもう１つの問題は、（光ファイバとテラヘルツ素子からなる）光学的軸と、（テラヘルツ素子と付属の半球形のレンズからなる）テラヘルツ光学系とを整合させるのが難しいことである。半球形の光学系は、本明細書で参考する、米国特許第５，７８９，７５０号が開示している、無収差タイプのものでも、視準タイプのものでもよい。このレンズは、この波長領域で有効な任意の数の材料から作ることができることに留意されたい。材料の例としては、比抵抗の高いシリコン（＞１ｋΩ−ｃｍ）、アルミナ、サファイア等があり、ポリエチレンも使用することができる。さらに、パリレンを含む多数の材料を使用してテラヘルツ出力を増大するために、上記レンズに反射防止コーティングを行うことができる。
【０００６】
本発明の新規で、改良形のシステムを使用すれば、以下に説明するように、上記問題および従来技術に関連する他の問題を解決することができる。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、テラヘルツ送信機および受信機の効率を改善することにより、システム全体の感度を向上し、光学的スポットの大きさを調整することができる中間光学系または中継光学系（光パルス伝送ファイバに接続しているＧＲＩＮまたは他の焦点素子）を提供する。この光のスポットは、サブミクロンの精度で、テラヘルツ送信機デバイスまたはテラヘルツ受信機デバイスと整合させなければならない。中継光学系を使用することにより、この整合に対して、レバー・アームを入手され、中継光学系の倍率に比例する係数により精度が向上する。すなわち、レンズは、光ファイバの運動を焦点の合った光学的スポットのもっと小さな運動に変換する。
【０００８】
従来技術に関連する整合の問題は、例えば、レンズの材料に類似の材料でできている装着プレートにより解決することができる。テラヘルツ素子は、プレート上に微細なサイズで形成されている整合マーク（または、基準点）により、窓装着プレート上に装着され、中継光学系および光ファイバは、光学系装着プレート上に装着される。組立てが完了すると、他の素子とは独立して、両方のサブ組立体を整合することができる。これらの素子を注意深く設計することにより、システム全体がより製造し易くなり、従来よりも頑丈になる。装着プレートを使用することにより、テラヘルツ送信機パッケージまたはテラヘルツ受信機パッケージをもっと容易に環境から密閉または密封することができる。装着プレートは、アルミナなど上記プロセスで加工できる材料から作ることができ、一方、レンズは、目的の用途に適している任意の他の光学設計により任意の他の材料から作ることができる。
【０００９】
さらに、本発明は、テラヘルツ送信機またはテラヘルツ受信機に短い光パルスを伝送するためのファイバの使用を含む。より詳細に説明すると、本発明は、テラヘルツ・デバイスに、短い（＜１ｐｓ）光パルスの合焦ビームを伝送するために、中間光学系と一緒にファイバを使用する。このデバイスは、伝送された光パワーが、（１）出力テラヘルツ電磁放射を作るために相互に作用するか、または（２）電気信号を作るために、または測定可能な方法で、光学系ビームを変更するために、入力テラヘルツ放射に応答する能動領域または能動容積を含む素子である。第１の例の場合には、デバイスは送信機であり、第２の例の場合には、デバイスは受信機である。このテラヘルツ・デバイスは、引用によって本明細書で参考とする、米国特許第５，７２９，０１７号、５，４２０，５９５号および５，６６３，６３９号が開示している光導電素子であってもよいし、引用によって本明細書の記載で参考とする、米国特許第５，９５２，８１８号または６，１１１，４１６号が開示しているような電気光学式デバイスまたは磁気光学式デバイスであってもよい。
【００１０】
好適な実施形態の以下の説明を読み、添付の図面を見れば、本発明の他の目的および利点を理解することができるだろう。上記図面においては、類似の参照番号は、同じ機能、素子または部材を示す。
【００１１】
（好適な実施形態の詳細な説明）
図１は、本発明のテラヘルツ波などの電磁波発生および検出システムの実施形態を概略的に示す全体図である。このシステムは、光ファイバ・ケーブル１８により、テラヘルツ送信機２０、光学式遅延装置２２、テラヘルツ光学式システム２７およびテラヘルツ受信機２４に接続しているパルスＴｉ：サファイア・レーザ１６を含む。別な方法としては、持続時間が１ピコ秒以下の光パルスを発生することができる任意のパルス・レーザをパルスＴｉ：サファイア・レーザ１６の代わりに使用することができる。例えば、米国特許第５，８８０，８７７号が開示しているレーザ、およびＴｉ：サファイア・レーザのようなレーザ、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦレーザ、Ｃｒ：ＬｉＳＧＡＦレーザ、Ｃｒ：ＬｉＳＣＡＦレーザ、Ｅｒでドーピングしたファイバ・レーザ、Ｙｂでドーピングしたファイバ・レーザ、および利得切り替えダイオード・レーザのようなレーザは、パルス・サファイア・レーザ１６の代替レーザとして適している。さらに、本発明は、本明細書で参考とする、米国特許第５，６６３，６３９号が開示している連続波源と一緒に使用することもできる。テラヘルツ送信機２０は、テラヘルツ光学式システム２７の第１の部分、サンプル２６、テラヘルツ光学式システム２７の第２の部分を通って伝播し、テラヘルツ放射に比例する信号を出力するテラヘルツ受信機２４により受信されるテラヘルツ放射を発生する。光学式遅延装置２２は、信号のどの一時的な部分が、テラヘルツ受信機２４のところでパルスによりゲートされるかを判断する。光学式遅延装置は、さらに、テラヘルツ受信機２４の出力信号を受信するコンピュータ／コントローラ２８により制御される。テラヘルツ光学式システム２７としては、引用によって本明細書で参考とする、米国特許第５，７８９，７５０号が開示している任意の種類のシステムを使用することができる。
【００１２】
図２−図４は、例えば、本発明の上記システムで使用するテラヘルツ送信機２０およびテラヘルツ受信機２４の実施形態である。参照番号２９で示す、以下に説明する送信機２０および受信機２４の構成部材の内容と構成は、デバイスが電磁波送信機または受信機として使用されているどちらの場合でも同じものである。
【００１３】
特に図２および図５について説明すると、テラヘルツ・デバイス３６は、電磁放射を発生し、検出するためのデバイス２９に装着されている。テラヘルツ・デバイス３６は、（図５に示すように）低温成長ガリウム砒素半導体基板６８、または他の適当な基板材料に接着している一組の電極６７および６９を有する。
【００１４】
図２について引き続き説明すると、デバイス２９は、さらに、デバイスの製造を容易にするという目的と、光ファイバ３２の出力の焦点を合わせて、最適なスポットの大きさするという目的の両方の目的を達成する働きをする、ＧＲＩＮレンズのような中継光学系３０を含む。さらに、中継光学系３０（または、他の中間光学系）を使用したことにより、テラヘルツ・デバイス３６のすぐ付近のファイバ３２が必要なくなる。上記テラヘルツ・デバイス３６は、送信機の場合には、放射されたテラヘルツ放射を、送信機の基板内にではなく、ファイバ３２内に結合させることができる。
【００１５】
蓋４１を有する工業的に強化したケースまたはモジュール４０は、環境の変動および乱暴な取り扱いからシステムを保護するためにシステムを密封する。本発明のある実施形態の場合には、工業的に強化されたモジュール４０は、窒素のような乾燥した不活性ガスを含む。さらに、このモジュールを、ベルコア規格に合わせて密封することができる。複数の電気導体ピン４９が、ハウジング４０内のブッシング開口部５４に圧入および接着される電気絶縁ブッシング５２に接着される。ファイバ開口部５６は、ハウジング４０内に配置されていて、それに接着されているファイバ３２を有するフェルール６２を収容するように構成されている。複数の装着開口部５８も、装着面にデバイス２９を機械的に固定するためにハウジング４０内に設けられている。モジュール本体４０も、ＤＩＰまたはＳＯＩＣパッケージのような、標準部品形に一致するような形状にすることができる。
【００１６】
さらに、図２は、本発明のアルミナまたは他の適当な材料から作ることができる光学装着プレートまたはランチャ４２を示す。プレート４２は、光学リレー３０、ファイバ・ピロー・ブロック４７およびファイバ３２を正しい位置に保持し、また、デバイスを電気的に接触させる。プレート４２は、好適な実施形態で使用されていて、図５はこのプレート４２をさらに詳細に示す。
【００１７】
キャリヤまたは窓４４も、（以下に説明するように）モジュールに対するテラヘルツ・デバイスの組立てを容易にするためのものである。窓４４は、標準の微細製造技術により容易に製造することができる。シリコンであっても、他の同等の材料であってもよい窓４４を使用して、デバイス２９の組立体を遥かに容易に製造することができる。組立が完了すると、窓４４をモジュール４０に半田付けまたは接着することができる。シリコン、サファイア、アルミナ、または他のタイプのテラヘルツ・レンズ３１が、テラヘルツ・デバイス３６から出てくる電磁波の放射の発散を低減するために、窓４４の背後に装着される。レンズ３１の構成は、通常、無収差タイプである。
【００１８】
ライザ・ブロック４５およびファイバ・ピロー・ブロック４７は、中継光学系およびテラヘルツ・デバイスに光ファイバを確実に整合させるために、それぞれ、プレート４２およびファイバ３２をモジュールの底の内面の上の適当な高さに位置させるためのものである。もちろん、ライザ・ブロックをモジュールの底の床内に内蔵させ、そうすることにより、構成部材の数を少なくすることもできる。ファイバ・ピロー・ブロック４７は、半田またはエポキシ樹脂により装着プレート４２に接着される。そうすることにより、テラヘルツ信号が最適化されるまで、ファイバ３２を操作することができる。その後で、ファイバを収容するために、半田またはエポキシ樹脂をファイバ・ピロー・ブロック上で使用することができる。次に、上記材料は、ピロー・ブロック４７にファイバ３２を固定するために設置される。
【００１９】
図３ａは、本発明の一実施形態である。この場合、ファイバ３２は、中継光学系３０から離れた位置に装着される。
【００２０】
図３ｂも、一実施形態を示す。この場合、ファイバ３２は、中継光学系３０に内蔵されていて、ファイバ組立体を形成している。ファイバ３２は、半田、エポキシ樹脂、または他の適当な接着剤により中継光学系３０に接着することができる。この種の組立体も、多くの販売業者から入手することができる。次に、ファイバ組立体が装着プレート４２に装着されるが、この場合、好適には、半田を使用することが好ましい。この実施形態の場合には、装着プレート４２’が、図３ａに示し、図６に詳細に示す実施形態に示すような縦方向のスロット７０を持っていないことに留意されたい。ファイバ組立体の整合は、前の実施形態のようにファイバだけでなく、全組立体を能動的に操作することにより達成される。
【００２１】
別な方法の場合、本発明は、光ファイバ３２への中継光学系３０を内蔵させるプロセスを含む。より詳細に説明すると、中継光学系は、光ファイバ材料から形成され、中継光学系と同じ機能を行う縮小レンズを形成するように構成される。上記レンズは、テラヘルツ・デバイス上に適当な大きさのスポットが投影されるように構成しなければならない。この場合、存在する最も長い波長の１／１０の最短距離が、テラヘルツ・デバイスと内蔵レンズとの間に維持される。
【００２２】
図４は、本発明により、完全に組み立てたデバイス２９の平面図である。さらに、この図は、装着プレート４２とピン４９との間の電気的ジャンパ５９の接続も示す。
【００２３】
図６について説明すると、この図は、本発明の装着プレート４２をより詳細に示す。装着プレート４２は、その上で、中継光学系３０を正しい方向に向けるための縦方向のスロット７０を含む。装着プレート４２に接着されている複数の基準点７２により、装着プレート４２に沿って縦方向に中継光学系３０を容易に位置させることができる。半田パッド７４は、装着プレート４２に、中継光学系３０を接着または半田付けするための面を供給する。第１の組の導電トレース７６も、テラヘルツ・デバイス３６とピン４９との間で電気エネルギーを供給するために設置されている。導電トレース７８の第２の組は、ファイバ・ピロー・ブロック４７を位置決めし取り付けるためのものである。さらに、これらのトレースは、ファイバ３２を固定するために、ファイバ・ピロー・ブロック４７の頂部上の半田またはエポキシ樹脂を抵抗熱により加熱するために電流を流すことができる。
【００２４】
図７ａは、本発明のテラヘルツ・デバイス・キャリヤまたは窓４４の詳細図である。窓４４は、窓４４上でのテラヘルツ・デバイスを位置決めを楽に行えるようにするための４つ一組の基準点９０を持つ。導電トレース９２は、（図６ｂに示すように）電気的ジャンパを通して、アンテナとピン４９との間で電気的にエネルギーを運ぶための経路を供給する。導電トレース９２は、また、装着プレート４２を窓４４に隣接して設置する際に、基準点としての働きをする。さらに、外周トレース９４により、窓４４を、モジュール４０上の窓開口部５５に半田付けすることができる。一組のタブ９６が、（図２に示すように）モジュール４０上での回転による窓４４の整合を助けるために、窓４４上に位置している。
【００２５】
図７ｂについて説明すると、この図は、光導電デバイス３６を窓４４に取り付ける様子を示す。さらに、各バイアス電極６７および６９は、光導電デバイスと窓４４との間で電気的にエネルギーを送るために、電気的ジャンパ９３を通して、導電トレース９２に電気的に接続している。
【００２６】
本発明の好適な実施形態の場合には、デバイス２９は、以下に説明するように組み立てられる。電気光学サブ組立体は、窓４４にテラヘルツ・デバイス３６を装着することにより形成される。次に、電気光学サブ組立体を、すでに説明したように、モジュールに接着することができる。次に、光学的サブ組立体が、光学系装着プレート４２に、中継光学系３０およびファイバ・ピロー・ブロック４７を装着することにより形成される。次に、ライザ・ブロック４５が、モジュール４０の底面に装着される。次に、光学的サブ組立体は、窓４４に隣接して設置され、ライザ・ブロックに接着される。次に、レンズ３１が、窓４４に接着される。光ファイバ３２およびフェルール６２組立体が、開口部５６を通して挿入される。デバイスにより放射されたか、検出されたテラヘルツ放射を能動的にモニターすることにより、ファイバ３２をテラヘルツ・デバイスに正確に整合することができ、正しい位置に半田付けまたは接着することができる。次に、ファイバは、歪みを解放するために、またモジュール／ファイバ接続を密封するために、フェルールに接着される。最後に、密封パッケージを形成するために、蓋４１が、モジュール４０に溶接される。
【００２７】
図８は、本発明のテラヘルツ電磁放射放出および検出システムのもう１つの実施形態の簡単な全体図である。光パルス源１５０は、分散補償器１５２で分散するサブピコ秒のレーザ・パルスを発生する。分散補償器は、本明細書で参考とする米国特許出願第０９／２５７，４２１号が開示しているような任意の分散デバイスを含むことができる。分散したレーザ・パルスは、光ファイバ・ケーブル１５４、ファイバ・スプリッタ１５６、および伝送ファイバ１５８および１６０を通って伝播し、ここで、上記レーザ・パルスは、分散補償器とは反対方向に分散する。分散補償器は、光ファイバの全長と比較した場合、反対の分散打消し効果を持つ。伝送ファイバ１６０を通って伝播する合成圧縮パルスは、テラヘルツ送信デバイス１６４に送られ、テラヘルツ放射が発生する。上記パルスは、また、途中の光学式遅延装置１６２を通って、テラヘルツ受信デバイス１６６に伝播する。合成圧縮光パルスは、テラヘルツ受信機と接触し、テラヘルツ放射が検出される。合成出力信号は、アンプ１６８により増幅され、コントローラ／コンピュータ１７０に出力される。このシステムは、光ファイバ・ケーブルおよびパッケージされたレンズ・システムを通してテラヘルツ信号を発生するために使用した光パルスを伝送し、上記光パルスを丈夫なものにして、外部環境条件にほとんど影響を受けないものにする。
【００２８】
上記タイプのテラヘルツ送信機または受信機のモジュラ・パッケージは、全く新規のものである。研究実験室は、テラヘルツ・デバイスに接続している自由空間光ビームしか使用できなかった。このパッケージされたファイバ・ピグテール接続モジュールは、今迄で最も丈夫で製造可能なテラヘルツ・デバイスである。
【００２９】
上記開示は、当業者が本発明を実行できるようにするためのものであり、本発明を制限するものと解釈すべきではなく、本発明は、上記の明示の変更を含むものであり、本発明は、下記の特許請求の範囲の精神および範囲によってだけ制限されると解釈されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のテラヘルツ電磁放射放出および検出システムの簡単な全体図である。
【図２】  本発明のテラヘルツ送信機モジュールおよびテラヘルツ受信機モジュールの一実施形態の分解図である。
【図３ａ】  本発明のテラヘルツ送信機モジュールおよびテラヘルツ受信機モジュールの一実施形態の組立等角図である。
【図３ｂ】  本発明のテラヘルツ送信機モジュールおよびテラヘルツ受信機モジュールの他の実施形態の組立等角図である。
【図４】  本発明のテラヘルツ送信機モジュールおよびテラヘルツ受信機モジュールの平面図である。
【図５】  本発明の光導電デバイスの等角図である。
【図６】  本発明の好適な実施形態で使用される、中継光学系および光ファイバ用の装着プレートである。
【図７ａ】  本発明の好適な実施形態で使用される光導電デバイスを支持する装着プレートの斜視図である。
【図７ｂ】  本発明の好適な実施形態で使用される装着プレートに組付けられる光導電デバイスの斜視図である。
【図８】  本発明のテラヘルツ電磁放射放出および検出システムの他の実施形態の簡単な全体図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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