JP2012186430A - Terahertz wave generation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ波発生装置に関する。 The present invention relates to a terahertz wave generator.
テラヘルツ波(ミリ波・サブミリ波を含む周波数30GHz〜12THzの電磁波)の特徴として、高い空間分解能を有すること、赤外線や可視光に比べると波長が長いため空間伝搬時の塵や煙、炎などによる散乱が小さいこと、有害物質や有毒ガスなどの吸収スペクトルがサブミリ波帯にあるためこれらの物質を検知可能であること、などが挙げられる。テラヘルツ波は、これまで未開拓領域の電磁波と呼ばれてきたが、工業、医療、バイオ、セキュリティ等の様々な分野での応用が期待されており、テラヘルツ波の発生方法と検出方法について、活発な技術開発が行われている。 The characteristics of terahertz waves (electromagnetic waves with a frequency of 30 GHz to 12 THz including millimeter waves and submillimeter waves) are that they have high spatial resolution, and because they have longer wavelengths than infrared rays and visible light, they are caused by dust, smoke, flames, etc. during spatial propagation The scattering is small, and the absorption spectrum of toxic substances and toxic gases is in the submillimeter wave band, and these substances can be detected. Terahertz waves have been called electromagnetic waves in undeveloped areas so far, but they are expected to be applied in various fields such as industrial, medical, bio, security, etc., and there are active terahertz wave generation and detection methods. Technology development is underway.
テラヘルツ波の発生技術については、半導体基板上にダイポールアンテナを形成して光伝導アンテナとし、この光伝導アンテナにバイアス電界を印加するとともにフェムト秒の光パルスを照射する、という方式が知られている。この方式によれば、光パルスによって半導体基板中に生じたキャリアがバイアス電界により移動し、瞬時的な電流が形成される。この瞬時的な電流が、テラヘルツ波の発生源となるのである。 As a technique for generating terahertz waves, a method is known in which a dipole antenna is formed on a semiconductor substrate to form a photoconductive antenna, a bias electric field is applied to the photoconductive antenna, and a femtosecond optical pulse is irradiated. . According to this method, carriers generated in the semiconductor substrate by the light pulse move by the bias electric field, and an instantaneous current is formed. This instantaneous current becomes a source of terahertz waves.
ここで、上記方式で用いられるフェムト秒光パルスとしては、従来、波長が約0.8μmのモードロックチタンサファイヤレーザが一般的であったが、最近では通信用の1.5μm帯のフェムト秒レーザも開発されており、この1.5μm帯のフェムト秒レーザをテラヘルツ波発生に利用することが検討されている。一例として、非特許文献1には、InGaAs基板により構成された光伝導アンテナに対して1.5μm帯のフェムト秒光パルスを照射することで、テラヘルツ波の発生が可能であることが報告されている。
Here, as a femtosecond optical pulse used in the above method, a mode-locked titanium sapphire laser having a wavelength of about 0.8 μm was generally used, but recently, a 1.5 μm band femtosecond laser for communication is used. The femtosecond laser in the 1.5 μm band has been studied for the generation of terahertz waves. As an example, Non-Patent
しかしながら、非特許文献1の報告例では、光伝導アンテナを構成する基板にInGaAs基板を用いているため、光パルスにより生じたキャリアに対する基板の電気抵抗値が低く、その結果として、発生したテラヘルツ波にノイズが多く含まれてしまう、という問題がある。
However, in the report example of Non-Patent
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノイズの少ないテラヘルツ波を発生させることが可能なテラヘルツ波発生装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a terahertz wave generator capable of generating a terahertz wave with less noise.
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、GaAs基板上に1対の電極がギャップを設けて形成されてなるアンテナと、前記1対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記アンテナのギャップに波長1490〜1640nmの光パルスを照射する光照射手段と、を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生装置である。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. An antenna in which a pair of electrodes is formed on a GaAs substrate with a gap, and voltage application for applying a voltage between the pair of electrodes. And a light irradiation means for irradiating the gap of the antenna with a light pulse having a wavelength of 1490 to 1640 nm.
また、上記テラヘルツ波発生装置において、前記光照射手段は、前記1対の電極の両方または一方の近傍のみに前記光パルスを照射することを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波発生装置において、前記光パルスのビーム径は、前記ギャップの離間距離よりも小さいことを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波発生装置において、前記アンテナはダイポールアンテナであることを特徴とする。
また、上記テラヘルツ波発生装置において、前記電圧は直流電圧であることを特徴とする。
In the terahertz wave generator, the light irradiating means irradiates the light pulse only to the vicinity of both or one of the pair of electrodes.
In the terahertz wave generator, the beam diameter of the optical pulse is smaller than the gap distance.
In the terahertz wave generator, the antenna is a dipole antenna.
In the terahertz wave generator, the voltage is a DC voltage.
本発明によるテラヘルツ波発生装置は、光伝導アンテナを構成する半導体基板としてGaAs基板を用いている。GaAs基板はInGaAs基板よりも電気抵抗値が高い。したがって、本発明によるテラヘルツ波発生装置はノイズの少ないテラヘルツ波を発生させることが可能である。 The terahertz wave generator according to the present invention uses a GaAs substrate as a semiconductor substrate constituting the photoconductive antenna. A GaAs substrate has a higher electrical resistance than an InGaAs substrate. Therefore, the terahertz wave generator according to the present invention can generate terahertz waves with less noise.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図1は、本発明の実施形態によるテラヘルツ波発生装置1の構成を示す図である。テラヘルツ波発生装置1は、光伝導アンテナ10とバイアス電源20を有する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a terahertz
光伝導アンテナ10は、低温(300℃程度以下)でGaAs膜を成長させたGaAs基板101の一方の面M1上に、ダイポールアンテナ102を形成した構成である。ダイポールアンテナ102には、バイアス電源20が接続される。このバイアス電源20によって、ダイポールアンテナ102のギャップG間に直流のバイアス電界を印加する。また、GaAs基板101のダイポールアンテナ102が形成された面M1側から、フェムト秒の光パルスをダイポールアンテナ102のギャップGに照射する。すると、GaAs基板101内には光パルスによって寿命が〜300fs程度のキャリア(自由電子)が生成され、このキャリアが直流バイアス電界により加速されて、〜ps程度の時間幅を有するパルス状の瞬時電流が生じる。この瞬時電流によって、瞬時電流の時間微分に比例した強度分布を持つ電磁波、すなわちテラヘルツ波が放射される。GaAs基板101は従来用いられていたInGaAs基板よりも電気抵抗値が高いため、ノイズの少ないテラヘルツ波を得ることが可能である。
The
キャリアを生成するための光パルスは、1.5μm帯(1490nm〜1640nm)のフェムト秒パルスレーザ光(パルス幅:〜100fs)を用いる。この光パルスは、不図示のレンズ等の集光手段によって、ダイポールアンテナ102のギャップ間隔Lgより小さいスポットに集光されて、ダイポールアンテナ102のギャップGへ照射される。
The optical pulse for generating carriers uses femtosecond pulsed laser light (pulse width: ˜100 fs) in a 1.5 μm band (1490 nm to 1640 nm). This light pulse is condensed to a spot smaller than the gap interval Lg of the
図2に、光パルスをダイポールアンテナ102のギャップGに照射した様子を示す。同図に示されるように、ダイポールアンテナ102は、ダイポール長Ldが例えば50μmであり、電極間のギャップ間隔Lgが例えば10μmである。そして、光パルスは、スポットが例えば5μm(<Lg)程度に絞り込まれて、ダイポールアンテナ102のプラス側の電極102Aにスポットの一部がオーバーラップするようにして照射される。
FIG. 2 shows a state in which an optical pulse is applied to the gap G of the
このとき、GaAs基板101の光パルスが照射された領域、すなわちダイポールアンテナ102のプラス電極102A近傍に、自由電子がキャリアとして生成され、生成された自由電子は直流バイアス電界によってプラス電極102Aへ引き寄せられて、テラヘルツ波の放射源である瞬時電流jを生じさせる。このように、テラヘルツ波はダイポールアンテナ102の一方の電極近傍の局所的な瞬時電流jによって発生するため、光パルスを照射するのは、必ずしもダイポールアンテナ102のギャップGの全体(両方の電極102A,102Bに光パルスのスポットが重なるように)ではなく、キャリアがバイアス電界で移動していく方の電極近傍だけでよい。
At this time, free electrons are generated as carriers in the region of the
よって、光パルスは、ダイポールアンテナ102のギャップGの大きさによらず、ギャップGよりも小さなスポットに集光して光伝導アンテナ10に照射することができ、これにより、テラヘルツ波の発生効率を向上させることができる。その理由は、GaAsのバンドギャップエネルギーは波長1.5μm帯の光子エネルギーの約2倍であり、GaAs基板101中では二光子吸収過程によってキャリア(自由電子)が励起されるので、光パルスのパワー密度を高くするほど、発生するキャリア数が増加するからである。
なお、光子エネルギーがGaAsのバンドギャップエネルギーと同程度の波長帯、例えば波長780nmの光パルスを用いた場合には、二光子吸収過程が起きないため、光パルス照射により発生するキャリア数は光パルスのパワー密度に無依存となる。
Therefore, the optical pulse can be focused on a spot smaller than the gap G and irradiated to the
When a light pulse having a photon energy of a wavelength band similar to the band gap energy of GaAs, for example, a wavelength of 780 nm, is used, a two-photon absorption process does not occur, so the number of carriers generated by light pulse irradiation is the number of light pulses. It becomes independent of the power density.
図3,図4に、波長1560nmの光パルスを用いてテラヘルツ波を発生させた実験結果の例を示す。実験は、光パルスのスポット(ビーム径φ)をそれぞれ6.9μm,3.5μm,3.0μmに集光して図2のように光伝導アンテナ10に照射して行った。但し、光パルスのパワーは一定とした。図3は、発生したテラヘルツ波の時間波形を計測したものであり、横軸は時間、縦軸はテラヘルツ波検出装置でテラヘルツ波を計測して得られた電流値(テラヘルツ波の強度に相当)を表す。図4は、図3の時間波形の振幅(ピークとピークの差)を縦軸にとり、ビーム径を横軸にとったものである。図3,図4から、光パルスのスポットを小さくするほど、すなわち、光パルスのパワー密度が高いほど、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ことが分かる。
3 and 4 show examples of experimental results in which terahertz waves are generated using an optical pulse with a wavelength of 1560 nm. The experiment was performed by condensing the light pulse spot (beam diameter φ) to 6.9 μm, 3.5 μm, and 3.0 μm and irradiating the
図5(A),(B)に、本実施形態によるテラヘルツ波発生装置1の光伝導アンテナ10に適用可能なダイポールアンテナの変形例を示す。同図(A)はボウタイ型、同図(B)はスパイラル型の構成である。なお、光伝導アンテナ10の形状はこの例に限定されず、光パルスが照射される領域において電極間にギャップを有するものであればよい。
5A and 5B show a modification of the dipole antenna applicable to the
図6に、テラヘルツ波発生装置の変形例を示す。光パルスは、シングルモード光ファイバ、GRINコリメータレンズ、GRINコンデンサレンズを介してGaAs基板101上のダイポールアンテナ102のギャップに照射される。発生したテラヘルツ波は、半球レンズを介して外部へ取り出される。
このように光ファイバ、レンズ、および基板を一体化した構成、すなわち空間系とは異なるインライン型の構成を用いて光パルスを入射させることで、非常に微細な金属パターンであるダイポールアンテナへの異物の混入を防ぎ、短絡等の不具合を防止することができる。また、基板へ照射される光パルスは基板上のミクロンオーダーの微小部分に照射する必要があるため高精度で安定した光学系が要求されるが、本構成のように各部品が接着剤等で強固に固定されることで、基板へ照射される光パルスの位置ずれを抑制することができる。
FIG. 6 shows a modification of the terahertz wave generator. The light pulse is applied to the gap of the
In this way, the optical fiber, the lens, and the substrate are integrated, that is, the light pulse is incident using an in-line configuration different from the space system, so that a foreign object to the dipole antenna that is a very fine metal pattern. Can be prevented and problems such as short circuit can be prevented. In addition, since the light pulse applied to the substrate needs to be applied to a micron-order minute part on the substrate, a highly accurate and stable optical system is required. However, as in this configuration, each part is made of an adhesive or the like. By being firmly fixed, it is possible to suppress the positional deviation of the light pulse applied to the substrate.
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。 As described above, the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above, and various design changes and the like can be made without departing from the scope of the present invention. It is possible to
1…テラヘルツ波発生装置 10…光伝導アンテナ 20…バイアス電源 101…GaAs基板 102…ダイポールアンテナ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記1対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記アンテナのギャップに波長1490〜1640nmの光パルスを照射する光照射手段と、
を備えることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。 An antenna having a pair of electrodes formed on a GaAs substrate with a gap;
Voltage applying means for applying a voltage between the pair of electrodes;
A light irradiation means for irradiating the gap of the antenna with a light pulse having a wavelength of 1490 to 1640 nm;
A terahertz wave generator characterized by comprising:
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CN103236591A (en) * | 2013-04-10 | 2013-08-07 | 西安理工大学 | Semi-insolating GaAs photoconductive antenna with ohmic contact electrodes |
CN113687463A (en) * | 2021-08-23 | 2021-11-23 | 浙江大学 | Terahertz photoconductive antenna |
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