JP2007071590A - 導波路、それを用いた装置及び検出方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 低損失な導波路を提供することを目的とする。
【解決手段】 導電体で形成される単一線と、前記単一線を覆う誘電体部材とを備え、前記誘電体部材が間隙を有している導波路を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ミリ波からテラヘルツ波領域の電磁波を伝搬させる導波路技術に関する。また、ミリ波からテラヘルツ波領域の電磁波を用いて、検体の物性の分析や同定を行う検査装置に関するものである。
近年、ミリ波からテラヘルツ波領域（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）のうち、任意の帯域を有する高周波電磁波（以下テラヘルツ波と呼ぶ）を用いた、非破壊な検査技術が開発されている。テラヘルツ波には、生体分子をはじめとして、様々な物質の吸収線が存在することが知られている。そのため、この周波数領域の応用分野として、Ｘ線に替わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術がある。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて、分子の結合状態を調べる分光技術がある。また、生体分子の解析技術、キャリヤ濃度や移動度を評価する技術等が期待される。
テラヘルツ波を用いた物体の検査装置として、図２１のような構成が開示されている（特許文献１）。図２１のように、この検査装置は、物体に空間を伝搬するテラヘルツ波を照射し、物体からの透過波の伝搬状態変化より、物体の構成材料を測定する装置である。
しかし、一般的に、テラヘルツ波は、水分に対して強い吸収を受ける。そのため、特許文献１のように、テラヘルツ波を大気に伝搬させると、大気中の水分による吸収によって、テラヘルツ波は大きく減衰する。そこで、テラヘルツ波の減衰を少なくするために、多くの電磁波、光技術で用いられるような、導波路技術、例えばファイバ導波路を用いて、電磁波を一定領域に閉じ込め、伝送する技術を用いて検体の検出を行うことが望まれている。テラヘルツ波を伝播するファイバ状の導波路として、導体から形成された単一線路でテラヘルツ波が伝播することが示された（非特許文献１）。
また、ファイバ導波路を用いた検体検出に関し、テラヘルツ波領域ではないが、微量な検体を高感度に測定することを目的とした光ファイバ型の検体検査装置が提案されている（特許文献２）。図１９のように、この検体検査装置は、ファイバ導波路を、ある間隙をもって対向配置させた構造である。このファイバ導波路の端面は、屈折率の異なる物質が周期的に配置され、共振構造を形成している。そのため、間隙に存在する検体を高感度に測定することができる。
特開平８−３２０２５４ 特開２００１−１７４４０６ Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４３２，ｐ３７６−３７９，２００４
特許文献２のような光ファイバを用いた導波路技術をテラヘルツ波に適用する場合を考える。この場合、光ファイバ導波路が誘電材料のみで形成しているため、使用する誘電材料によっては、材料物性の周波数依存性が、テラヘルツ波の伝搬特性に影響を与える。特に、テラヘルツ波が、ある周波数領域を有している場合、周波数によって、伝搬損失や分散特性が異なるため、導波路を伝搬する過程において、テラヘルツ波の伝搬波形が大きく変化することが考えられる。そのため、テラヘルツ波を伝播させる導波路としては好ましくなかった。よって、より伝播特性のよい導波路が求められていた。
さらに、特許文献２に記載の検体検査装置では、光ファイバ導波路同士を対向させて配置する必要があり、対向して配置するための外部機構が必要になり、装置構成を小さくすることが難しかった。
上記課題に鑑み、本発明は、
導電体で形成される単一線と、前記単一線を覆う誘電体部材とを備え、
前記誘電体部材が間隙を有している導波路を提供するものである。
また、本発明は、
検体の物性を検出するための装置であって、
導電体で形成される単一線と、前記単一線を覆う誘電体部材とを備え、前記誘電体部材が間隙を有している導波路と、
前記導波路を伝搬する電磁波を検出するための検出部とを備える装置を提供するものである。
さらに、本発明は、
検体の物性を検出するための検出方法であって、
導電体で形成される単一線と前記単一線を覆う誘電体部材とを備え、前記誘電体部材が間隙を有する導波路を用意する工程と、
前記導波路の前記間隙の近傍に、前記検体を配置する工程と、
前記導波路を伝播してきた電磁波を検出する工程とを備える検体検出方法を提供するものである。
本発明の導波路は、導体で形成された単一線路と、間隙を有する誘電体部材によって被覆する構成である。このような構成にすることにより、で低分散な伝搬特性を有する導波路を提供することが可能になる。また、この間隙に検体を挿入することで、簡単に検体の物性を検出することが可能になる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。尚、図中の同一要素に関しては、同符号を用いる。
（導波路の概要）
図１は、本発明における、導波路の概略構成図である。図１にように、本発明の導波路１００は、単一線１０１と、単一線を覆う誘電体部材１０２で構成する。また、誘電体部材１０２は、間隙部１０３を有している。
単一線１０１は、導体で構成する単一の導線である。図１では、単一線１０１は、円柱状であるが、これに限るものではない。例えば、多角形状でもよい。
誘電体部材１０２は、誘電体で構成する。本発明では、誘電体部材１０２に用いる誘電体材料は、使用する電磁波に対して、透明な特性であることが望ましい。図１では、誘電体部材１０２は、円柱状であるが、これに限るものではない。例えば、多角形状でもよいし、基板状であってもよい。また、誘電体部材１０２のサイズは、導波路１００を伝搬する電磁波が、導波路１００内に分布する程度であることが望ましい。これは、導波路１００内を伝搬する電磁波に対する、外部の影響を抑えるためである。単一線１０１を伝搬する電磁波の電磁界分布は、同軸導波路と同様であることが知られている。例えば、図１のように、円柱状の誘電体部材１０２を用いた場合を考える。計算によると、単一線１０１と誘電体部材１０２の界面より、誘電体部材１０２の外周面までの距離が、半波長以上であれば、導波路１００を伝搬する電磁波の電磁界は、誘電体部材１０２内に分布する。また、導波路１００を伝搬する電磁波が、任意の周波数領域を有している場合を考える。この場合、単一線１０１と誘電体部材１０２の界面より、誘電体部材１０２の外周面までの距離が、電磁波が占有する周波数領域のうち、最低周波数の波長に対して、半波長以上確保する。
（誘電体部材中の間隙）
図１のように、本発明の導波路１００は、誘電体部材１０２の一部に、間隙部１０３を有している。図１では、間隙部１０３の誘電体被膜を除去し、単一線１０１が剥き出しになっている。誘電体部材１０２と間隙部１０３の屈折率が異なる場合、導波路１００を伝搬する電磁波の伝搬状態は、間隙部１０３において変化する。このように、間隙部１０３における、屈折率差に起因する、電磁波の伝搬状態の変化を利用することで、一部の周波数成分を選択的に除去することや、透過するといった信号制御が可能になる。尚、図１では、誘電体部材１０２の一部に、間隙部１０３を設ける構成であるが、誘電体を除去する手法に限るものではない。電磁波の伝搬経路に、屈折率の変化する領域が存在すればよいので、例えば、誘電体部材１０２とは異なる物質を充填する態様でもよい。また、図１５のように、間隙部１０３の誘電体をすべて除去せず、一部を残す構成であってもよい。このような場合であっても、間隙部１０３における平均的な屈折率が変化するため、電磁波の伝搬状態を変化させることができる。
また、図１において、間隙部１０３を介して対向配置される誘電体部材１０２の断面は、単一線１０１の長手方向に対して、垂直に形成されている。しかし、この配置に限るものではない。例えば、図１６のように、単一線１０１の長手方向に対して、誘電体部材１０２の断面が傾く構成でもよい。また、図１７のように、誘電体部材１０２の断面がテーパ状であってもよい。また、上述してきた誘電体部材１０２の断面は、平面状であるが、断面の一部、または全部が、球面状であってもよいし、凹凸状でもよいし、多角形状であってもよい。また、図１８のように、螺旋状に誘電体を除去してもよい。また、螺旋状に除去する間隔も一定でなくてもよく、部分的に粗密があってもよく、一定の割合で変化してもよい。
また、間隙部は導波路中に規則的に配置されることが好ましいが、間隙全部が規則的に配置される必要はなく、間隙の一部が規則的に配置されていれば、効果がある。また、間隙が規則的に配置されているところに、意図的に規則性を乱すような構造を形成してもよい。これにより、波長選択性がでる。周期的とは、間隙がある波長長の間隔で配置されているものを言い。自己相似的とは、導波路中のある断面から見た場合、その断面を境に左右対象の構造を有するものを言う。
（センサ装置の構成）
図２は、上述した導波路を、検体の物性を測定するセンサ装置に応用した場合の、概略構成図である。図２のように、本発明の装置は、発生部２０１、導波路１００、検出部２０２、比較部２０３、記憶部２０４、提示部２０５で構成する。
発生部２０１は、本装置で用いる高周波電磁波、例えばテラヘルツ波を発生し、導波路１００に結合させ、伝搬させる機能を持つ。発生部２０１は、導波路１００と一体で構成してもよいし、導波路１００の外部で高周波電磁波を発生させ、導波路１００に結合させる構成でもよい。
（センサ装置の発生手段と結合手段）
発生部２０１として、高周波電磁波を発生させ、空間に伝搬させる手段と、導波路１００への結合手段で構成する場合を考える。この場合、例えば、図４のように、結合手段は、導波路１００を構成する単一線１０１の一部に、グレーティング構造４０１を構成する。この時、結合手段は、外部を飛来する高周波電磁波のうち、グレーティングの周期に応じた波長を、選択的に結合する。この構造の作製方法は、例えば、グレーティングが刻まれた単一線１０１を、液状の誘電体部材１０２で満たされた型に挿入し、熱によって誘電体部材１０２を硬化させるといった手法が考えられる。ただし、作製方法はこれに限るものではなく、既知のプロセス技術を用いることができる。
また、図５のように、結合手段として、導波路１００を構成する単一線１０１に対し、さらに導体を直交配置するクロスワイヤ構造５０１を用いる方式がある。この場合、上述した非特許文献１と同様に、外部を飛来する高周波電磁波を、クロスワイヤ構造５０１に結合させる。このような構造の作製方法しては、例えば、単一線１０１を内包する誘電体部材１０２の外周面上に、クロスワイヤ構造５０１をパターニングする手法がある。ただし、この作製方法に限定されるものではなく、既知のプロセス技術を用いることができる。また、図５のクロスワイヤ構造５０１は、誘電体部材１０２の外周面上に作製されているが、誘電体部材１０２内部に埋め込まれていてもよい。
さらに、発生部２０１として、高周波電磁波を発生させる手段と、導波路１００への結合手段を一体化して構成することもできる。この場合、例えば、図６のように、発生部２０１として、光伝導スイッチ構造６０１を用いる方式がある。光伝導スイッチ構造６０１は、ある微小間隔で隔たれた、単一線１０１から引き出された電極を備える。さらに、誘電体部材１０２の一部に形成された電極６０２に対して、その間隙に、キャリヤのライフタイムが短い半導体（例えば低温成長ガリウムヒ素：ＬＴ−ＧａＡｓ）を密着させた構成である。光伝導スイッチ構造６０１の動作は、上記した間隙部分に電界を印加した状態で、超短パルスレーザ光を用いて外部より光学的にゲートすることで、高周波電磁波を発生する。光伝導スイッチ構造６０１で発生した高周波電磁波は、単一線１０１と誘電体部材１０２で構成される導波路１００に結合し伝搬する。これらの電極は、既知のプロセス技術によってパターニングされる。また、光伝導スイッチ構造６０１を構成する半導体は、例えば、薄膜化し、誘電体部材１０２に貼り付けられる。尚、作製方法はこれに限定されるものではない。また、図６において、光伝導スイッチ構造６０１は、単一線１０１と誘電体部材１０２で構成される導波路の端面に形成されているが、この構成に限るものではない。例えば、誘電体部材６０１の内部、または外周面上に形成されていてもよい。また、電極６０２は、単一腺１０１に対して、同心円状にパターニングされている。これは、単一線１０１と誘電体部材１０２で構成される導波路１００の伝搬モードが、同軸ケーブルと同じＴＥＭモードであることに着目し、より結合状態を良好に保つために、高周波電磁波発生側の構造を高軸構造としている。しかし、重要なのは、光伝導スイッチ構造６０１を構成する導体の間隙に電界が印加されればよいので、当然、この同軸構造に限るものではない。
また、図７のように、発生部２０１として、電磁波利得構造７０１を用いる方式がある。電磁波利得構造７０１は、ある微小間隔で隔たれた、単一線１０１から引き出された電極と、誘電体部材１０２の一部に形成された電極７０２に対して、高周波電磁波領域に利得がある電磁波利得物質を密着させた構造である。電磁波利得物質は、例えば、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）やガンダイオードなどに代表される電磁波利得を得られる半導体素子である。また、量子カスケードレーザのような、高周波電磁波発振素子でもよい。上述したように、この電磁波利得物質は、高周波電磁波のうち、所望の周波数帯で利得を得るように設計されている。そのため、電磁波利得構造７０１の両端にバイアスを印加することで、高周波電磁波を発生する。そして、電磁波利得構造７０１で発生した高周波電磁波は、単一線１０１と誘電体部材１０２で構成される導波路１００に結合し伝搬する。これらの電極は、既知のプロセス技術によってパターニングされる。尚、図７において、電磁波利得構造７０１は、単一線１０１と誘電体部材１０２で構成される導波路１００の端面に形成されているが、この構成に限るものではない。例えば、誘電体部材１０２の内部、または外周面上に形成されていてもよい。また、電極７０２は、単一腺１０１に対して、同心円状にパターニングされている。これは、単一線１０１と誘電体部材１０２で構成される導波路１００の伝搬モードが、同軸ケーブルと同じＴＥＭモードであることに着目し、より結合状態を良好に保つために、高周波電磁波発生側の構造を同軸構造としている。しかし、重要なのは、電磁波利得構造７０１を構成する導体の間隙にバイアスが印加されていればよいので、当然、この同軸構造に限るものではない。
また、図８のように、発生部２０１として、導波路変換構造８０１を用いる方式がある。導波路変換構造８０１は、他の高周波モジュールを伝搬する高周波電磁波を、単一線１０１と誘電体部材１０２で構成される導波路に結合する構成である。図８は、本構成に関し、上面図、断面図、側面図を示したものである。図８のように、導波路変換構造８０１は、誘電体部材１０２、第１導体８０２と第２導体８０３で構成される伝送線路（マイクロストリップ線路）に対し、第１導体８０２と第２導体８０３の間に、単一線１０１が挿入される構造である。このような構造を有することにより、高周波モジュール内を伝搬する高周波電磁波は、導波路変換構造８０１において、単一線１０１と誘電体部材１０２で構成される導波路に結合し、伝搬する。尚、導波路変換構造８０１を構成する伝送路構造は、図８に示したような、マイクロストリップ線路に限るものではない。例えば、コプレーナ導波路など、高周波電磁波信号を伝搬するために用いるような伝送線路構造が利用できる。また、導波管や同軸構造など、立体的な導波路構造にも適応できる。また、導波路変換構造８０１において、インピーダンスの不整合を軽減し、高周波電磁波信号の結合状態を良好にするため、単一線１０１や誘電体部材１０２の形状が部分的に変化する態様も考えられる。例えば、導波路変換構造８０１の端部において、単一線１０１や誘電体部材１０２のサイズを部分的に太くすることや、細くすること、またはテーパ形状を用いることなどが考えられる。
尚、発生部２０１の構成はこれらに限るものではなく、発生部２０１で発生した高周波電磁波が、導波路１００に結合し、伝搬する目的が達成できる構成であればよい。例えば、アンテナを介して、発生部２０１で発生した高周波電磁波を、導波路１００に結合させる手法もある。
図２において、検出部２０２は、導波路１００を伝搬する高周波電磁波を、検出する機能を有する。検出部２０２の構造は、発生部２０１と同様の構造を用いることができる。ただし、これらの構造に限るものではなく、導波路１００を伝搬する高周波電磁波を検出する目的を達成できればよい。
（センサ装置の記憶手段と比較手段）
記憶部２０４は、検体の物性を測定するセンサ装置において、検体の参照情報が予め記憶されている。記憶部２０４に記憶される検体の参照情報としては、例えば、屈折率や減衰などの情報がある。ただし、これに限るものではなく、検体の物性を特徴付ける情報であればよい。記憶部２０４は、記憶される検体の参照情報を、逐次更新する機能を有していてもよい。例えば、現在、測定している検体の物性情報を、検体の参照情報として記憶することもできる。
比較部２０３は、検出部２０２で検出された検体の情報と、記憶部２０４に記憶されている参照情報を比較する部分である。比較部２０３では、検出部２０２で検出された検体の情報を、記憶部２０４に記憶されている参照情報に対応した形に処理する機能を有する。例えば、時系列情報を、スペクトル情報に変換する。ただし、処理形態は、これに限るものではない。例えば、遅延情報を取得したり、複素誘電率を算出したりする。要は、記憶部２０４に記憶されている検体の参照情報と比較できる形態であればよい。
提示部２０５は、比較部２０３で比較した結果を提示する部分である。提示方法としては、ディスプレイに表示することが考えられる。ただし、この手法に限るものではない。例えば、検査物質が有無だけを知る場合、光の点滅や、音、または触覚呈示装置などが使用できる。要は、何らかの方法で、使用者に測定結果を知らせることができればよい。
（センサ装置の動作説明）
次に、本発明における検体の物性を測定するセンサ装置の動作を説明する。まず、本発明の検体の物性を測定するセンサ装置では、導波路１００の間隙に検体を挿入する。導波路１００を伝搬する高周波電磁波は、導波路１００の間隙部１０３において、検体と相互作用する。その結果、導波路１００を伝搬する高周波電磁波の伝搬状態は、検体の存在によって変化する。この高周波電磁波の伝搬状態の変化は、検体の物性によって異なる。このような伝搬状態が変化した高周波電磁波は、検出部２０２によって検出される。
図１において、導波路１００の誘電体部材１０２に、間隙部１０３が存在する場合、間隙部１０３には、容量成分が付加される。この容量成分は、間隙部１０３に挿入される検体の物性によって変化する。そのため、この間隙部１０３に検体を挿入した場合、図３のように、周波数特性や伝搬遅延特性が変化する。ここで、図３は、間隙部１０３に、検体を挿入した場合の、伝搬特性変化のイメージ図である。ここで示した図は、あくまでイメージ図であり、実際の伝搬特性変化は、検体の有する分散特性、減衰特性、吸収特性によって、より複雑に変化する。図３の周波数特性にみられるように、導波路１００の間隙部１０３によって、導波路１００は、低周波数側の信号を減衰させる、ローパスフィルタのように振舞うことが予想される。この時、間隙部１０３にある検体の物性によって、ローパスフィルタのカットオフ周波数が変化する。また、図３の伝搬遅延特性にみられるように、検体の物性によって、遅延時間が変化する。比較部２０３では、まず、間隙部１０３に検体を挿入することによって変化する、周波数特性や伝搬遅延特性の変化によって、検体の物性を取得する。
これらの検体の物性情報は、予め記憶部２０４に記憶されている。そのため、記憶部２０４に記憶されている物性情報と、比較部２０３において、取得された物性情報を比較することによって、検体の分析や同定を行うことができる。本発明の検体の物性を測定するセンサ装置では、記憶部２０４に記憶されている物性情報を追加することができる。例えば、予め物性が既知である検体を、本発明の検体の物性を測定するセンサ装置によって測定し、その測定結果を記憶部２０４に追加する。測定結果を記憶していくことで、装置固有の測定結果のばらつきを抑えることができるという効果がある。
これらの比較結果は、提示部２０５によって、測定者に提示される。
以上説明したように、本発明の導波路では、導波路を伝搬する電磁波の伝搬状態が変化し、簡単に機能性を付加することができる。また、従来の伝送線路技術では、損失や分散特性が課題となっていた。そのため、規模の大きな回路を形成しようとした場合、信号劣化を招くため、テラヘルツ波信号の制御が難しくなっていた。本発明の導波路は、上述したように、低損失で低分散な特性を示す単一線の導波路に対し、誘電体部材によって機能性を付加する構成である。そのため、信号劣化の影響を最小に保ちつつ、信号制御を行うことができるため、容易に、大規模な回路や装置に適応することができる。
また、本発明の検体の物性を測定するセンサ装置は、上記導波路の間隙部分に検体を挿入し、電磁波との相互作用の変化を検出する構成である。そのため、従来のファイバ導波路に必要であった、ある間隙を介してファイバ導波路を対向配置させる外部機構がなくなるため、装置構成が簡易になる。また、従来の伝送線路技術を用いた検査装置では、損失、分散が比較的大きいため、検査部分と検出部分を可能な限り近づけることが望まれた。しかし、本発明の検体の物性を測定するセンサ装置では、低損失、低分散な導波路構造に、検査部分を作り込む構成であるため、検査部分と検出部分を離すことができる。そのため、例えば、危険区域での検査作業を行う場合、検査部分のみを危険区域に持ち込み、安全区域によって検出作業を行うことができるので、安全性が向上するという効果がある。また、検査部分を分離できるので、密閉空間（例えば、チャンバー内など）での検査作業や溶液中での検査作業なども可能になり、検査作業の適応範囲が広がるという効果がある。
以下に、より具体的な実施例について、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本実施例では、導波路の間隙部が、周期的に配置している構成例について述べる。図９のように、本実施例の導波路は、単一線１０１と誘電体部材１０２と間隙部９０１で構成される。図のように、間隙部９０１は周期的に配置されている。このような配置により、間隙部９０１において、誘電体部材１０２を構成する物質と間隙部９０１の屈折率が周期的に変化する構成となる。その結果、本実施例の導波路は、間隙部９０１において、フォトニックバンドギャップに起因する波長選択性を有する。
本実施例の、検体の物性を測定するセンサ装置では、この波長選択性の変化より、検体の物性を検出するものである。
本実施例では、単一線１０１として金線を用いる。誘電体部材１０２として高抵抗シリコン（誘電率１１．４、導電率０．０１Ｓ／ｍ）を用いる。ただし、これらの材料に限るものではない。単一線１０１としては、導体であればよい。白金線や銅線でもよい。誘電体部材１０２としては、誘電体材料であればよいが、望ましくは、使用する高周波電磁波に対し、分散、吸収が少ない特性を有するものを使用する。具体的には、ベンゾシクロブテン、ポリイミやポリシランなどがある。また、半導体材料なども用いることができる。本実施例では、単一線１０１の形状は、図９のように、直径１０μｍの円柱形状を使用する。ただし、この形状に限るものではない。例えば、多角形状でもよい。さらに、単一線１０１の直径は、この値に限るものではない。また、誘電体部材１０２の形状は、図９のように、一辺が２００μｍの四角柱形状を使用する。ただし、この形状に限るものではない。例えば、円柱形状や多角形状でもよい。さらに、誘電体部材１０２の一辺の長さは、この値に限るものではない。この値は、使用する高周波電磁波の波長に応じて変化する。
図９のように、誘電体部材１０２には、間隙部９０１が周期的に配置されている。間隙部９０１は、幅５０μｍの間隙を５０μｍ間隔で周期的に配置されている。これらの間隙は、誘電体部材１０２を構成する材料を除去して構成される。これらの間隙は、導波路１００を伝搬する電磁波の実効波長に対し、波長オーダの間隔で周期的に配置されることが好ましい。
本実施例で用いる導波路は、例えば、以下のようにして作製される。まず、厚さ１００μｍの高抵抗シリコン基板に、単一線１０１を保持するための溝を作製する。次に、上記単一線１０１を保持するための溝に対して、垂直に交わるように、５０μｍ×２００μｍの貫通穴を周期的に作製する。この貫通穴は、間隙部９０１に相当する。これらのパターンは、例えば、通常のフォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術などで作製する。この基板は、２枚作製する。その後、基板の溝部分に単一線１０１を配置し、もう一方のシリコン基板を、溝部分を内側にして密着させる。その際、これらのシリコン基板の界面には、樹脂接着剤が塗布されており、基板を固定する。ここで、樹脂接着剤は、使用する高周波電磁波に対して、分散、吸収が少ない特性を有するものを使用する。シリコン基板を固定後、基板より、貫通穴に沿って切り出し、導波路とする。これらの作製方法は、あくまで一例であり、この方法に限るものではなく、通常用いられるプロセス技術を用いることができる。
図１０は、本実施例の導波路を、検体の物性を測定するセンサ装置に転用した場合の動作を示した図である。尚、図１０は、電磁界シミュレータによって計算した計算結果である。
図１０において、破線は、本実施例の導波路の間隙部９０１に、検体が無い状態の、伝搬特性である。また、実線は、本実施例の導波路の間隙部９０１に、検体として、ＤＮＡ（誘電率４．０、誘電正接ｔａｎδ０．０１）を挿入した場合の、伝搬特性である。図１０のように、間隙部９０１の間隙が、周期的な配置を有することにより、波長が透過しない領域（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ がほぼ０になる波長領域）が現れる。そして、間隙部９０１に検体を挿入すると、検体が無い状態の伝搬状態に比べ、周波数特性が低周波数側へシフトしていることがわかる。さらに、透過強度も変化していることがわかる。また、ＤＮＡにおいて、１本鎖と２本鎖で誘電率が異なるので、その差を検知することもできる。これらの情報より、検体の物性を取得する。また、図示していないが、導波路を伝搬する高周波電磁波の遅延情報を用いてもよい。検体の物性を取得する場合、これらの情報をすべて用いてもよいし、いずれか一つを選択する、もしくは組み合わせてもよい。また、ＤＮＡだけでなく、タンパク質やアミノ酸などの生体分子において、検体自体の構造変化や特性変化を検出することも可能である。
このようにして得られた検体の物性に関し、記憶部２０４に記憶されている情報と比較することによって、検体の同定や分析を行う。
本実施例では、導波路の間隙部９０１は周期的に配置されている。一般的に、このような構造は、高いＱ値を示すことが知られている。そのため、検出感度が向上する。つまり、本実施例の検体の物性を測定するセンサ装置では、高感度な測定はもとより、微量な検体であっても、感度よく検出することができるという効果がある。
（実施例２）
本実施例では、導波路の間隙部が、自己相似的に配置している構成例について述べる。図１１のように、本実施例の導波路は、単一線１０１と誘電体部材１０２と間隙部１１０１で構成される。図のように、間隙部１１０１は自己相似的に配置されている。本実施例の場合、間隙部１１０１に相当する領域に誘電体部材１０２について、３等分し、中心の誘電体を残し（これを１ステージと呼ぶ）、両端の誘電体に関し、同じ作業を３回繰り返した構造（３ステージのフォトニックフラクタル構造）を得ている。このような配置により、間隙部１１０１において、誘電体部材１０２を構成する物質と間隙部１１０１の屈折率が、自己相似的に変化する構成となる。その結果、本実施例の導波路は、波長選択性を有する。
本実施例の、検体の物性を測定するセンサ装置では、この波長選択性の変化より、検体の物性を検出するものである。
本実施例では、単一線１０１として金線を用いる。誘電体部材１０２として高抵抗シリコン（誘電率１１．４、導電率０．０１Ｓ／ｍ）を用いる。本実施例では、単一線１０１の形状は、図１１のように、直径１０μｍの円柱形状を使用する。また、誘電体部材１０２の形状は、図１１のように、一辺が２００μｍの四角柱形状を使用する。ただし、実施例１と同様に、これらの材料や形状に限定されるものではない。図１１のように、誘電体部材１０２には、間隙部９０１が自己相似的に配置されている。例えば、測定に使用する高周波電磁波として、１ＴＨｚ近傍の電磁波を用いる場合を考える。この時、間隙部１１０１として、使用する電磁波の波長オーダの領域に上記した３ステージのフォトニックフラクタル構造を配置する。これらの間隙は、誘電体部材１０２を構成する材料を除去して構成される。ここで、波長オーダとは、導波路１００を伝搬する電磁波の実効波長に対し、およそ１波長程度のことを言う。
本実施例において、本実施例の導波路の作製方法は、実施例１に示したものと同様である。
本実施例のように自己相似的な構造を有する場合、導波路の伝搬特性は、ある固有の周波数において、局在モードを有する形となる。そして、この導波路を、検体の物性を測定するセンサ装置に転用した場合を考える。実施例１と同様に、導波路の間隙部１１０１に検体を挿入すると、高周波電磁波の伝搬状態が変化するため、周波数特性が変化する。具体的には、局在モードが低域側にシフトする。さらに、実施例１と同様に、透過強度も変化する。これらの情報より、検体の物性を取得する。また、導波路を伝搬する高周波電磁波の遅延情報を用いてもよい。検体の物性を取得する場合、これらの情報をすべて用いてもよいし、いずれか一つを選択する、もしくは組み合わせてもよい。また、実施例１と同じく、本実施例の検体の物性を測定するセンサ装置においても、検体自体の構造変化や特性変化を検出することも可能である。
このようにして得られた検体の物性に関し、記憶部２０４に記憶されている情報と比較することによって、検体の同定や分析を行う。
実施例１と同じように、本実施例のように、自己相似構造は、高いＱ値を示すことが知られている。そのため、検出感度が向上する。つまり、本実施例の検体の物性を測定するセンサ装置では、高感度な測定はもとより、微量な検体であっても、感度よく検出することができるという効果がある。また、上記したように、局在モードの変化によって、検体の物性を取得する場合、非常にするどい局在モードに対して、周囲の伝搬特性は、電磁波を透過させない特性を示している。そのため、信号のＳ／Ｎ比を高くすることができるので、微量な周波数特性変化も測定可能になる。そのため、検体の検出感度が向上するという効果がある。
（実施例３）
本実施例では、導波路の間隙部が、周期的に配置おり、その周期的な間隙部の一部に、周期を乱す要素を有している構成例について述べる。図１２のように、本実施例の導波路は、単一線１０１と誘電体部材１０２と間隙部１２０１で構成される。図のように、間隙部１２０１は、実施例１で述べた周期的な間隙配置の一部に対し、間隙を誘電体部材１０２で充填することで、周期を乱す要素を構成している。ただし、周期を乱す手法はこれに限るものではない。例えば、誘電体部材１０２を構成する材料とは異なる材料によって、間隙の一部を充填する手法が考えられる。また、間隙部を構成する部材の厚みを変化させたり、間隔を変化させることによって、間隙の周期を乱す手法が考えられる。このような配置により、間隙部１２０１において、誘電体部材１０２を構成する物質と間隙部１２０１の周期的な屈折率変化が、部分的に乱される。その結果、本実施例の導波路は、間隙部１２０１において、フォトニックバンドギャップに起因する波長選択性を有し、かつフォトニックバンドギャップ内に局在モードを有する。
本実施例の、検体の物性を測定するセンサ装置では、この波長選択性の変化より、検体の物性を検出するものである。
本実施例では、単一線１０１や誘電体部材１０２の形状は、これまでの実施例で説明したものと同様である。
図１２のように、誘電体部材１０２には、間隙部１２０１が周期的に配置されており、中心部分の間隙が、誘電体部材１０２を構成する材料によって充填されている。このように、本実施例では、間隙の一部を埋めることによって、周期を乱す要素を構成している。これらの間隙は、誘電体部材１０２を構成する材料を除去して構成される。
本実施例において、本実施例の導波路の作製方法は、これまでの実施例で説明したものと同様である。
図１３は、本実施例の導波路を、検体の物性を測定するセンサ装置に転用した場合の伝搬特性のイメージ図である。図１３のように、本実施例の導波路の伝搬特性は、バンドギャップ内に局在モードを有する形となる。そして、この導波路を、検体の物性を測定するセンサ装置に転用した場合を考える。これまでの実施例と同様に、導波路の間隙部１２０１に検体を挿入すると、高周波電磁波の伝搬状態が変化するため、周波数特性が変化する。具体的には、バンドギャップや局在モードが低域側にシフトする。さらに、これまでの実施例と効用に、透過強度も変化する。これらの情報より、検体の物性を取得する。また、図示していないが、導波路を伝搬する高周波電磁波の遅延情報を用いてもよい。検体の物性を取得する場合、これらの情報をすべて用いてもよいし、いずれか一つを選択する、もしくは組み合わせてもよい。また、上記したように、本実施例の検体の物性を測定するセンサ装置においても、検体自体の構造変化や特性変化を検出することも可能である。
このようにして得られた検体の物性に関し、記憶部２０４に記憶されている情報と比較することによって、検体の同定や分析を行う。
これまでの実施例と同じように、本実施例の導波路は、周期構造に準じた構造であるため、高いＱ値を示すことが知られている。そのため、検出感度が向上する。つまり、本実施例の検体の物性を測定するセンサ装置では、高感度な測定はもとより、微量な検体であっても、感度よく検出することができるという効果がある。また、図１３のように、局在モードの変化によって、検体の物性を取得する場合、非常にするどい局在モードに対して、周囲の伝搬特性は、電磁波を透過させない特性を示している。そのため、信号のＳ／Ｎ比を高くすることができるので、微量な周波数特性変化も測定可能になる。そのため、検体の検出感度が向上するという効果がある。
（実施例４）
本実施例では、検体の物性を測定するセンサ装置に関し、溶液中の検体の物性を測定するセンサ装置への応用例を示したものである。
図１４は、本実施例の測定装置について、検体の検出部分の概略構成図である。図１４のように、本実施例の測定装置は、テラヘルツ波を発生する発生部２０１、ハーフミラー１４０２、検出部２０２、単一線１０１、誘電体部材１０２で構成する。誘電体部材１０２は、間隙部を有している。上述してきたように、単一線１０１と誘電体部材１０２で、低損失、低分散の導波路を構成し、間隙部を有する部分がセンサ部分となる。
上述したように、本発明の導波路は、導波路を伝搬する高周波電磁波を、誘電体部材内部に閉じ込めている。そのため、導波路外部の物質が変化しても、高周波電磁波の伝搬特性が変化することはない。そのため、例えば、溶液中や、様々な外部雰囲気中においても、高周波電磁波の伝搬特性が変化することはない。
本実施例において、上記間隙部は、実施例１と同じ周期的な間隙を有すると仮定する。そのため、本実施例の導波路は、フォトニックバンドギャップに起因する波長選択性を有している。ただし、これまで述べてきたように、間隙部の配置はこれに限るものではない。導波路を伝搬する高周波電磁波は、間隙部において、外部の物質と相互作用する。本実施例の導波路は、図１４のように、スタブ形状である。そのため、導波路を伝搬する入射高周波電磁波１４０３は、導波路の端面において反射され、反射高周波電磁波１４０４が伝搬する。尚、本実施例の導波路の端面は、電磁波を効率よく反射させるような処理が、端面に施されていてもよい。例えば、電磁波を効率よく反射させるために、導波路の端面を金属でコーティングするという手法が考えられる。ただし、この手法に限るものではない。
ハーフミラー１４０２は、本実施例の導波路に入射する入射高周波電磁波１４０３と、導波路から反射する反射導波路１４０４を分岐する機能をもつ。そのため、この機能を有していれば、ハーフミラーに限るものではない。例えば、導波管などを用いた結合器やサーキュレータなどで構成することもできる。
反射高周波電磁波１４０４は、検出部２０２によって検出される。その後、不図示の比較部２０３と記憶部２０４によって、検体の物性を検出し、検体の同定や分析を行う。
動作を説明する。まず、単一線１０１と誘電体部材１０２で構成される導波路を、検査溶液１４０１に挿入する。このことによって、誘電体部材１０２の間隙部には、検査溶液１４０１が充填される。次に、発生部２０１によって、検出に用いる入射高周波電磁波１４０３を空間に放射する。入射高周波電磁波１４０３は、不図示の空間光学系によって、ハーフミラー１４０２に入射される。ハーフミラー１４０２は、入射高周波電磁波１４０３を透過する。透過した入射高周波電磁波１４０３は、不図示の導波路結合手段によって、導波路に結合し、伝搬する。
これまで、発生部２０１は、導波路結合手段も兼ねる形で説明してきたが、本実施例では、別途、電磁波を分岐する手段（例えばハーフミラー１４０２）を明示するために、分けて説明している。
高周波電磁波を伝搬する入射高周波電磁波１４０３は、間隙部において、検査溶液１４０１と相互作用し、伝搬特性が変化する。その後、導波路の端面において反射され、反射高周波電磁波１４０４となる。反射高周波電磁波１４０４は、不図示の導波路結合手段によって、外部に取り出される。その後、反射高周波電磁波１４０４は、ハーフミラー１４０２によって、入射高周波電磁波１４０３の伝搬経路とは別方向に反射される。この反射高周波電磁波１４０４は、検出部２０２によって検出される。その後、不図示の比較部２０３と記憶部２０４によって、検体の物性を検出し、検体の同定や分析を行う。具体的な検出動作は、上記した実施例と同様であるため省略する。
尚、本実施例では、空間光学系を使って、高周波電磁波を操作しているが、この形態に限るものではない。例えば、空間光学系を導波路に置き換えたり、導波路構造を用いてモジュール化、集積化することもできる。また、本実施例では、溶液中の検体を検出しているが、これに限るものではない。誘電体部材１０２の間隙部の物性が変化すればよいので、例えば、雰囲気中、粉体中、土中の検体の検出にも用いることができる。
本実施例では、検査対象に対して、検体の物性を測定するセンサ装置の検査部分を挿入する構成である。そのため、これまでのように、検査部分に検体を充填するための工程を簡略化することができる。検体を充填するために、外部機構を用いる場合、これらの機構を省略することができるので、装置が簡略化される。また、検査物体が危険物である場合、危険物を操作する工程が簡略化できるので、安全性が高まるという効果がある。
本発明における導波路の概略構成図 本発明における検体の物性を測定するセンサ装置の概略構成図 導波路を検査素子として使用した時の動作を説明する図 導波路の結合部分の構成例 導波路の結合部分の構成例 導波路の結合部分の構成例 導波路の結合部分の構成例 導波路の結合部分の構成例 実施例１における導波路の間隙部の配置を示す図 実施例１の検査素子の動作を説明するための解析結果。 実施例２における導波路の間隙部の配置を示す図 実施例３における導波路の間隙部の配置を示す図 実施例３の導波路における伝搬特性のイメージ図 実施例４の測定装置の概略構成図 間隙部の形状の構成例 間隙部の形状の構成例 間隙部の形状の構成例 間隙部の形状の構成例 光ファイバを用いた検査素子に関する先行例を説明する図 単一線を用いた導波路に関する先行例を説明する図 空間光学系を用いた検査装置の先行例を説明する図
符号の説明
１００ 導波路
１０１ 単一線
１０２、２００１、２００２ 誘電体部材
１０３ 間隙部
２０１、９０１、１１０１、１３０１ 発生部
２０２ 検出部
２０３ 比較部
２０４ 記憶部
２０５ 提示部
４０１ グレーティング構造
５０１ クロスワイヤ構造
６０１ 光伝導スイッチ構造
７０１ 電磁波利得構造
８０１ 導波路変換構造
８０２ 第１導体
８０３ 第２導体
１４０１ 検査溶液
１４０２ ハーフミラー
１４０３ 入射高周波電磁波
１５４０４ 反射高周波電磁波
２００３ テラヘルツ波

Claims (11)

  1. 導電体で形成される単一線と、前記単一線を覆う誘電体部材とを備え、
    前記誘電体部材が間隙を有していることを特徴とする導波路。
  2. 前記誘電体部材が複数の間隙を有していることを特徴とする請求項１記載の導波路。
  3. 前記誘電体部材中に前記複数の間隙の一部又は全部を規則的に配置していることを特徴とする請求項２記載の導波路。
  4. 前記規則的が、周期的又は自己相似的であることを特徴とする請求項３記載の導波路。
  5. 前記間隙の規則性は、使用する電磁波の波長オーダであることを特徴とする請求項３又は４のいずれか記載の導波路。
  6. 検体の物性を検出するための装置であって、
    請求項１から５のいずれか記載の導波路と、
    前記導波路を伝搬する電磁波を検出するための検出部とを備えることを特徴とする装置。
  7. 前記間隙の近傍に前記検体が存在するときに、前記検体の影響を受け、前記電磁波の伝播状態が変化した電磁波を前記検出部で検出することにより、前記検体の物性を検出することを特徴とする請求項６記載の装置。
  8. 前記検体の物性の情報を記憶している記憶部を備え、
    前記間隙の近傍に前記検体が存在するときに、前記検体の影響を受け、前記電磁波の伝搬状態が変化し、前記変化に基づいた情報と前記記憶部に記憶している情報とを比較することにより、前記検体を同定することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の装置。
  9. 前記電磁波は、３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数領域のうち、任意の周波数領域を有する電磁波であることを特徴とする請求項６から８のいずれか記載の装置。
  10. 検体の物性を検出するための検出方法であって、
    導電体で形成される単一線と前記単一線を覆う誘電体部材とを備え、前記誘電体部材が間隙を有する導波路を用意する工程と、
    前記導波路の前記間隙の近傍に、前記検体を配置する工程と、
    前記導波路を伝播してきた電磁波を検出する工程とを備えることを特徴とする検体検出方法。
  11. 前記検体を配置する工程は、前記導波路の前記間隙が存在する領域を、前記検体を含有する気体、液体、粉体、固体中の何れかに挿入する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の検体検出方法。
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