JP2007300022A

JP2007300022A - テラヘルツ波増幅装置、テラヘルツ波変調装置ならびにこれを用いた通信装置およびセンシング装置

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Publication number: JP2007300022A
Application number: JP2006128421A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Nakayama; 正昭中山; Hiroshi Nakayama; 弘中山
Original assignee: MATERIAL DESIGN FACTORY KK
Current assignee: MATERIAL DESIGN FACTORY KK
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2006-05-02
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】長期にわたって安定なテラヘルツ波を所望の周期で発生することのできるテラヘルツ波変調装置を実現する。
【解決手段】多重量子井戸構造（ＭＱＷ）で構成されるテラヘルツ波発生素子（１）に対し、量子数の異なるサブバンドの励起子（Ｅ２ＨＨ１，Ｅ２ＨＨ２）を同時に励起する超短光パルスを光照射回路（２）により照射する。この超短パルス照射と同期して電圧パルス印加回路（１０）から、量子井戸の励起子振動のエネルギ差ΔＥが、コヒーレント縦光学フォノンの振動エネルギ（ＥＬＯ）と等しくなるように、サブバンドの正孔エネルギ準位（ＨＨ１，ＨＨ２）を調整する。この電圧パルス印加回路１０からのパルス列により、テラヘルツ波発生素子（１）のテラヘルツ波発生周期を変調する。
【選択図】図１４

Description

この発明は、テラヘルツ波変調装置に関し、特に、半導体多重量子井戸構造の励起子エネルギを利用してテラヘルツ電磁波を伝送信号に応じて生成するテラヘルツ波変調装置に関する。

テラヘルツ波は、周波数がテラヘルツ（１０の１２乗ヘルツ）であり、ミリ波と赤外線の中間の周波数帯に位置する電磁波である。この周波数領域は、電子回路などによる発振器にとっては超高周波領域であり、一方、半導体レーザなどのレーザ光源にとっては、超低周波領域となる。近年のレーザ技術の発展に伴い、１００フェムト秒（１０^-15秒）以下のパルス幅を有する超短パルスレーザを容易に利用することが可能となり、このテラヘルツ領域の技術開発が急速に進展している。

テラヘルツ帯の電磁波は、従来の非破壊透視検査において用いられるＸ線およびγ線に比べて、物質、生体および環境に対して安全なプローブである。例えば、水および有機分子などの固有周波数がテラヘルツ領域にあり、このようなテラヘルツ領域の固有振動周波数を有する物質の構造解析などへの応用、または高速の情報通信などに対する応用が種々検討されている。このテラヘルツ波を発生する装置としては、微小共振器内の量子井戸中にポラリトンを発生させ、このポラリトンを構成する励起子の位置をずらせて、等価的に微小アンテナが励振された状態を形成して電磁波を放射する構成が提案されている（特許第２７２８２００号公報）。

また、本願発明者は、先に、多重量子井戸構造を用いて量子数の異なるサブバンドの励起子を利用して、縦光学フォノン（ＬＯフォノン）の振動を増強させることを示している（非特許文献１：Physical Review Ｂ７０，２３３３０６、２００４）。

この非特許文献１においては、量子井戸に印加される電場を用いて異なるサブバンド間励起子遷移のエネルギ差をＬＯフォノンの振動エネルギに同調させることにより、励起子振動エネルギ差をＬＯフォノン振動エネルギに共鳴させて、ＬＯフォノンの振動を増強している。

また、外部印加電界により共鳴的にコヒーレントＬＯフォノンモードが励起されることが、「固体物理」、Vol. 41, No. 4 (2006年4月号、 pp. 257-267（非特許文献２））に開示されている。この非特許文献２においては、「電界によるコヒーレントＬＯフォノンの増強」という現象が観察されることが記載されている。
特許第２７２８２００号公報 O. Kojima at al., Enhancement of coherent longitudinal optical phonon oscillations in a GaAs/AlAs multiple quantum well due to intersub-band energy tuning under an electric field., Physical Review B70, 233306, 2004 「固体物理」、Vol. 41, No. 4 (2006年4月号）、 pp. 257-267 D.A.B. Miller et. al. Phys. Rev. B 32,1043 (1985)

情報通信などにおいては、大量の情報を伝送するために光通信が行われている。この光通信においては、伝送情報に応じて光スイッチをオン／オフさせてデジタル情報を伝送する。しかしながら、この光通信においては伝送路として光ファイバが必要となり、また、光／電気変換装置および電気／光変換装置が必要となる。

ワイアレス通信においては、ギガヘルツ帯の高周波を利用して高速で大量の情報を伝送することが行われている。しかしながら、テラヘルツ帯の信号を搬送波として利用することは未だ行われていない。

上述の特許文献１においては、ポラリトンを用いて電磁波を発生しているものの、その構成は単一量子井戸構造であり、単発的なテラヘルツ波が発生されているだけであり、長期にわたって安定に振動するテラヘルツ波は生成されていない。また、ポラリトンの振動により電磁波を生成しており、発生電磁波強度も微弱である。また、その用途としても、従来のＸ線による検査の置換えなどの適用を示唆しているだけであり、具体的に発生したテラヘルツ電磁波をどのように加工・操作するかについては何ら示していない。

また、上述の非特許文献１においては、ＬＯフォノンの共鳴的な振動により比較的長期にわたって安定なテラヘルツ波を発生することができる。しかしながら、この非特許文献１においては、安定なＬＯフォノン振動を利用してテラヘルツ波を発生する原理的構成が示されているだけであり、さまざまなナノ構造半導体に適用可能であることが記載されているものの、どのような用途に具体的に適用するかについては示されていない。

また、非特許文献２においても、「外部電界によりコヒーレントＬＯフォノンが共鳴的に励起される」ことが記載されているだけであり、共鳴励起されたＬＯフォノンからの電磁場をどのように加工・操作するかについては、具体的には述べていない。

それゆえ、この発明の目的は、テラヘルツ波を安定に発生することのできるテラヘルツ波増幅装置を提供することである。

この発明の他の目的は、テラヘルツ波を変調することのできるテラヘルツ波変調装置を提供することである。

この発明のさらに他の目的は、このテラヘルツ波変調装置の変調機能を利用する通信装置またはセンシング装置を提供することである。

この発明に係るテラヘルツ波増幅装置は、多重量子井戸構造を含む半導体からなるテラヘルツ発生素子と、この多重量子井戸構造の量子井戸に形成されるエネルギの異なる２種類の励起子間に量子干渉ビートを生じさせるエネルギを有するパルス光をテラヘルツ波発生素子に照射する光照射回路と、多重量子井戸構造を含む半導体の縦光学フォノンの周波数に、異なる２種類の励起子間の量子干渉ビートの周波数を一致させてコヒーレント縦光学フォノン振動によるテラヘルツ波を増幅するように、該多重量子井戸内に形成される２種類の励起子間のエネルギ差を量子閉込めシュタルク効果を利用して調節するためのバイアス電圧を供給するバイアス電圧供給回路とを含む。

この発明に係るテラヘルツ波変調装置は、多重量子井戸構造を含む半導体からなるテラヘルツ発生素子と、この多重量子井戸構造の量子井戸に形成されるエネルギの異なる２種類の励起子間に量子干渉ビートを生じさせるエネルギを有するパルス光をテラヘルツ波発生素子に照射する光照射回路と、バイアス電圧を供給することによりこれらの２種類の励起子間の量子干渉ビートの周波数を変化させるバイアス電圧供給回路とを含む。

このバイアス電圧供給回路は、バイアス電圧のパルス波形を変動させることにより、量子シュタルク効果を利用して多重量子井戸構造の種々の励起子エネルギを制御し、該半導体の縦光学フォノンの周波数と量子干渉ビートの周波数との一致と不一致を変動させ、それにより、コヒーレント縦光学フォノン振動によるテラヘルツ波の増幅率を変動させて発振強度を変調する。

この発明に係る通信装置は、テラヘルツ波変調装置の変調機能を利用する。
この発明に係るセンシング装置は、このテラヘルツ波変調装置の変調機能を利用する。

光照射回路からの光パルスにより、異なるエネルギの２種類の励起子が同時に励起される。この励起子遷移のエネルギ差が、縦光学（ＬＯ）フォノンエネルギと同調しかつ効率的にテラヘルツ電磁波を発生させる様に、量子井戸層サブバンドエネルギおよび励起子を構成するキャリアの包絡波動関数を、上述の非特許文献２に示されるような量子閉込めシュタルク効果を用いてバイアス電圧により調整して、励起子間のエネルギ差を調節する。これにより、２種類の励起子間の量子干渉ビートの周波数が、量子井戸構造を有する半導体のＬＯフォノンの周波数と一致し、この結果、コヒーレントＬＯフォノン振動によるテラヘルツ波が増幅され、安定にテラヘルツ波を発生することができる。

また、このバイアス電圧をパルス化して、そのパルス波形を変動させることにより周波数変調を加える。これにより、量子井戸構造の半導体のＬＯフォノンの周波数と量子干渉ビートの周波数の一致／不一致が変動して、テラヘルツ波の増幅率が変化する。これにより、パルス信号で変調されたテラヘルツ波を安定に発生することができる。

また、通信情報に応じてテラヘルツ波を変調することにより、テラヘルツ帯域での通信が可能となり、大量の情報を高速で通信することが可能となる。

センシング装置においては、変調機能により強度分布を生じさせてデータサンプリングの制御（センシング位置の選択的設定）を高精度に行なうことができ、テラヘルツ領域の固有振動周波数を有する微小物質の分光分析および診断を高精度で行なうことができる。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１に従うテラヘルツ波変調装置の基本的構成を概略的に示す図である。図１において、テラヘルツ波変調装置は、ｐｉｎ構造を有し、照射光に応じてテラヘルツ電磁波（ＴＨｚ波）を生成するテラヘルツ波発生素子１と、このテラヘルツ波発生素子１に超短パルスの励起光ＩＬを照射する光照射回路２と、光照射回路２からの励起光ＩＬの照射と同期して、所定電圧レベルのパルス電圧をテラヘルツ波発生素子１に印加するバイアス電圧印加回路４を含む。

光照射回路２は、たとえばモード同期チタン（Ｔｉ）：サファイアレーザで構成され、フェムト秒オーダのパルス幅を有するパルスを発生する。この光照射回路２からの励起光ＩＬは、中心波長がたとえば１．５７１ｅＶのエネルギに対応し、後に詳細に説明するテラヘルツ波発生素子１において励起子およびコヒーレント縦光学（ＬＯ）フォノンを励起する。

バイアス電圧印加回路４は、光照射回路２からの励起光ＩＬにより励起された２種類の異なる励起子遷移のエネルギ差によって生じる励起子量子干渉（量子ビート）のエネルギが、コヒーレントＬＯフォノン振動周波数領域に対応するようにバイアスをかける。コヒーレントＧａＡｓＬＯフォノンが、電気的双極子として作用して、その振動によりテラヘルツ電磁波を生成する。

テラヘルツ波発生素子１は、基板がｎ型半導体の場合には、ｐ層１０と、ｎ層１２と、これらの間のｉ層領域１４を含む。ｉ層領域１４に、多重量子井戸構造（ＭＱＷ:Multiple Quantum Well）が形成される。ｐ層１０上には、窓部１９が設けられた上部電極１６が形成され、この窓部１９を介して光照射回路２からの励起光ＩＬが照射される。基板がｐ型半導体の場合には、このｐ層およびｎ層の位置は上記の構造と逆の配置となる。励起光ＩＬからは、また、反射光ＲＬが生成される。光照射回路２からの励起光ＩＬは、窓部１９に照射される。反射光ＲＬは、図しない測定部において、時間分解反射率測定のために用いられ、テラヘルツ発生素子１の反射率変化を通して誘電関数の時間応答を観測してＭＱＷ構造における励起子およびフォノンの挙動を観測する。この誘電率変調による反射率変化は、発生しているテラヘルツ波によって生じる。

ｎ層１２下部には、下部電極１８が設けられる。これらの電極１６および１８は、たとえば金電極層で形成され、バイアス電圧印加回路４からのバイアス電圧が供給される。テラヘルツ波は、極超短波であり、直進性があり、素子の膜厚方向に沿った端面からテラヘルツ電磁波が膜厚方向のコヒーレント縦光学フォノンの振動に従って出力され、特に、電磁波の伝送方向を設定するための導波路などは設ける必要はない。次に、テラヘルツ波発生素子１の構成および動作について詳細に説明する。

図２は、図１に示すテラヘルツ波発生素子１の構造をより詳細に示す図である。図１において、ｐ層１０およびｎ層１２は、それぞれ、一例として、ｐ型およびｎ型不純物がドープされた膜厚１μｍのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層で形成される。ｉ層領域１４は、ｐ層１０に隣接するアンドープのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層で形成されるｉ層２０ａと、ｎ層１２に隣接するアンドープのＡｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層で形成されるｉ層２０ｂとを含む。これらのｉ層２０ａおよび２０ｂの膜厚は、それぞれ、たとえば５０ｎｍであり、ｐｉｎ構造を実現する。

ｉ層２０ａおよび２０ｂの間に、多重量子井戸構造ＭＱＷが形成される。この多重量子井戸構造ＭＱＷにおいては、ＧａＡｓ層２１とＡｌＡｓ層２２が、交互に積層される。このＧａＡｓ層２１およびＡｌＡｓ層２２の単位が、所定数の周期繰返し積層される。

ＧａＡｓ層２１およびＡｌＡｓ層２２は、バンドギャップが異なっており、膜厚が、それぞれ、たとえば１５．３ｎｍおよび４．５ｎｍであり（一分子層膜厚が０．２８３ｎｍ）のアンドープ層であり、たとえば分子線エピタキシ法（ＭＢＥ法）を用いて形成される。このような層厚画、ナノメータオーダのヘテロ接合の繰返しにより多重量子井戸ポテンシャルが形成される。本実施例においては、ＧａＡｓ層２１が量子井戸層、ＡｌＡｓ層２２がポテンシャル障壁層となる。電子および正孔は、この量子井戸層内に閉じ込められる。この場合、電子および正孔の波動関数の許容される周期が量子井戸層の厚さにより制限され、量子井戸層内に離散的な量子準位（エネルギ準位）が形成される。

図３は、図２に示す多重量子井戸構造ＭＱＷのエネルギバンド構造を概略的に示す図である。図３において、井戸層と障壁層が交互に配置され、応じてエネルギバンドにおいても、ポテンシャル井戸が交互に形成される。量子井戸においては、エネルギ準位が離散化され、価電子帯において、重い正孔（ヘビーホール：ＨＨ）の準位（サブバンド）と、軽い正孔（ライトホール：ＬＨ）の準位（サブバンド）が形成される。図３においては、量子数ｎが１の基底状態の正孔のエネルギ準位を示す。伝導帯においても、電子の準位Ｅ１およびＥ２が、それぞれ量子数ｎ１およびｎ２に対応して形成される。

量子井戸構造において、電場が印加されていない場合には、図４（Ａ）に示すように、伝導帯Ｅｃの電子の包絡波動関数φｅと価電子帯Ｅｖの重い正孔および軽い正孔の包絡波動関数φｈは、量子井戸の中心に関して対称的な形を有する。価電子帯Ｅｖと伝導帯Ｅｃの間には、エネルギギャップＥｇが存在する。

一方、図４（Ｂ）に示すように、量子井戸の幅方向すなわち膜厚に垂直な方向に電場ＥＦを印加した場合、エネルギバンド構造がこの電場ＥＦの影響によりシフトし、応じて、電子の包絡波動関数φｅおよび正孔の波動関数φｈがそれぞれ逆方向にシフトし、波動関数の対称性が崩壊する。また、量子井戸の底部の低下により伝導帯Ｅｃの電子準位が低下し、また、サブバンドエネルギも電場によって変化し、励起子遷移吸収エネルギもそれに伴ってシフトする。

この場合、図５に示すように、正孔と電子とは、障壁層を超えて移動することができず、電子および正孔はこの量子井戸内に閉じ込められるため、励起子の解離は生じず、その結合エネルギが大きく、また振動子強度も大きくなり、大きな量子数ｎの励起子も安定に存在する。この量子井戸に対して電場を印加したときの光吸収スペクトルのシフトの現象は、量子閉じ込めシュタルク効果（ＱＣＳＥ）と呼ばれ、サブバンド間エネルギは、印加電場により制御することができる。

量子井戸構造において電場印加時の重い正孔の包絡波動関数φＨＨおよび軽い正孔の包絡波動関数φＬＨのずれ量は、有効質量、印加電場および膜厚に比例し、重い正孔および軽い正孔が有効質量が異なるため波動関数の形状が異なる。重い正孔ＨＨと軽い正孔ＬＨそれぞれの励起子は、ともに、量子井戸内に閉じ込められて振動し、膜厚方向（井戸に垂直な方向であり膜の成長方向）に誘電双極子の分極が発生する。励起子間の量子干渉により瞬間的に膜厚方向に縦方向分極Ｐがパルス状に生成されるため、この分極Ｐの振動エネルギを用いて、超短パルス印加により生成されるコヒーレントＬＯフォノンの振動を増強する。

図６は、多重量子井戸構造ＭＱＷの光照射時の光電流スペクトルと印加電場の関係を示す図である。縦軸に、光電流のフォトンエネルギ（単位ｅＶ）を示し、横軸に電場（単位ｋＶ／ｃｍ）を示す。図６に示す多重量子井戸構造ＭＱＷにおいては、前述のように、ＧａＡｓ層は膜厚１５．３ｎｍであり、ＡｌＡｓ層は、膜厚４．５ｎｍであり、この井戸層および障壁層が２０周期繰返し形成される。測定温度は１０Ｋ（ケルビン温度）である。

また、図６において、破線で示す曲線各々において、Ｅ２は、量子数２の電子準位を示し、またＥ１は、量子数１の電子準位（基底状態）を示す。ＨＨ１、ＨＨ２、およびＨＨ３は、それぞれ、量子数１、２および３の重い正孔準位を示す。ＬＨ１、ＬＨ２は、それぞれ量子数１の軽い正孔のエネルギ準位を示す。たとえば、Ｅ２ＨＨ２は、量子数２の電子準位から量子数２の重い正孔準位への遷移エネルギを示す。またＥＬＯは、ＧａＡｓ層のコヒーレントＬＯフォノンのエネルギを示す。図６の破線で示す曲線各々は、ＴＭ法（トランスファ（伝達）マトリックス法）を用いて計算された遷移エネルギを示す。横軸に示す電場Ｆは、Ｆ＝（Ｖｂ−Ｖ）／Ｌの関係式に基づいて算出される。ここで、Ｖｂは、ｐｎ接合のビルトイン電圧を示し、Ｖが、印加バイアス電圧を示す。Ｌは、図２に示すｉ層２０ａおよび２０ｂと多重量子井戸構造ＭＱＷとの合計の膜厚、すなわち図１に示すｐｉｎ構造のｉ層領域１４の厚さを示す。

光電流（ＰＣ）のピーク値のシフトは、量子閉じ込めシュタルク効果による。図６に示されるように、電場が大きくなるにつれて、異なる量子数の電子および正孔サブバンド間の光学遷移が明瞭となる。一方、基底状態のＥ１ＨＨ１およびＥ１ＬＨ１の励起子の基本遷移は、ほとんど発生しない。この遷移確率の変化は、電子および正孔の包絡波動関数の対称性の破壊により生じている。

エネルギＥＬＯは、コヒーレントＧａＡｓ的ＬＯフォノン（以下、単にコヒーレントＬＯフォノンと称す）のエネルギであり、Ｅ２ＨＨ２励起子とＥ２ＨＨ１励起子の遷移エネルギ差が、このコヒーレントＧａＡｓ的ＬＯフォノンのエネルギＥＬＯにほぼ等しい。したがって、同じ電子または正孔のサブバンドの２つの励起子間のエネルギ差が、コヒーレントＬＯフォノンエネルギＥＬＯに近づくにつれて、縦分極を通して、励起子干渉とコヒーレントＬＯフォノンとの間の結合を利用して、ＬＯフォノン振動を増強させることが可能となる。

図７は、この図６に示す光電流スペクトルの光電流強度の励起光フォトンエネルギの依存性を示す図である。横軸に、照射光のフォトンエネルギ（単位ｅＶ）を示し、縦軸に、光電流強度（単位任意）を示す。各曲線に付される電場は、バイアス電圧として印加される電場を示す。

図７において、各ピークは、有効質量近似から評価される。図７に示すように、量子閉込めシュタルク効果により、電場強度が増大するにつれ、遷移ピーク値がシフトしまた遷移エネルギおよび遷移振動子強度が低下している。ここで、量子閉込めシュタルク効果は、前述の非特許文献３において説明されているように、多重量子井戸に印加された電界により量子井戸内に形成されたサブバンドのエネルギが変化する物理的効果のことである。

バイアス電場が１３０ｋＶ／ｃｍの条件下では、Ｅ２ＨＨ１励起子エネルギおよびＥ２ＨＨ２励起子エネルギの間隔が、ＧａＡｓのコヒーレントＬＯフォノンエネルギとほぼ一致する。したがって、これらのＥ２ＨＨ１励起子およびＥ２ＨＨ２励起子の干渉による縦分極エネルギを、コヒーレントＬＯフォノンに対応させることにより、共鳴条件を成立させる。このコヒーレントなＬＯフォノンは、フォノン振動周期よりも短いパルス光を照射した場合に生成され、したがって、超短パルスの励起光照射時に同様に生成される。これらのＥ２ＨＨ２励起子およびＥ２ＨＨ１励起子を同時に生成して、それらの間に量子干渉を生じさせるために、ポンプ光を、１３０ｋＶ／ｃｍでのこれらの励起子Ｅ２ＨＨ２およびＥ２ＨＨ１の中間のエネルギ、すなわち１．５７１ｅＶに調整する。

図８は、各バイアス電圧印加時における量子井戸構造ＭＱＷのポンプ・プローブ分光法による時間分解反射率測定結果を示す図である。横軸に、時間遅延（ピコ秒：ｐｓ）を示し、縦軸に、反射率変化ΔＲ／Ｒ０を示す。Ｒ０は時間０における反射率を示す。また、図８においては、各測定結果の曲線に印加バイアス電場を付して示し、また、各バイアス電場印加時における１．０ｐｓ以降の振動を×１０倍または×３０倍（１００ｋＶ／ｃｍ）に拡大して示す。

０．０ｐｓにおいて、超短パルスが印加され、キャリアの励起（励起子の発生）およびフォノンの励起を行う。この場合、励起キャリアおよびコヒーレントフォノンは、フェムト秒単位でそれぞれ緩和しまた振動するため、プローブ光の到着タイミングをフェムト秒単位で変化させることにより反射光強度が変化する。この反射光強度を、ポンプ光およびプローブ光パルスの間の時間差を掃引しながら記録することにより、キャリアおよびコヒーレントフォノンによる誘電関数の時間応答を知ることができ、応じて素子内部での光励起キャリアおよびコヒーレントフォノンの励起および緩和状態を測定することができる。

図８に示すように、時間遅延１．０ｐｓまでは、キャリアおよびフォノンの光励起により生じた変化である。時間１．０ｐｓ以前の初期状態における時間領域信号の波形の変動は、Ｅ２ＨＨ１励起子に対する励起過剰エネルギの変化に起因すると考えられる（励起子エネルギは、ＱＣＳＥによりシフトするため）。

時間遅延１．０ｐｓ以降において、振動構造は、各特性曲線において、４．０ｐｓ以上にまでわたって持続する。この振動構造は、コヒーレントＧａＡｓ的ＬＯフォノンに起因すると考えられ、このコヒーレントＬＯフォノンの振幅は、印加電場強度とともに変化する。１５５ｋＶ／ｃｍの印加電場条件で、振動構造の振幅が最も大きくなる。Ｅ２ＨＨ１励起子およびＥ２ＨＨ２励起子の量子ビートが観察されていないため、これらの励起子の位相緩和時間は、励起パルス幅とほぼ同程度であると考えられる。励起子の瞬間的な緩和における量子干渉により縦分極振動が生じ、この縦分極振動をコヒーレントＬＯフォノン振動と共鳴させる。

図９は、図８に示す時間領域信号のフーリエ変換を行なった後の周波数スペクトルを示す図である。図９においては、印加電場１３０ｋＶ／ｃｍから１７０ｋＶ／ｃｍの間の電場についてのフーリエ変換スペクトルを示す。横軸に周波数（ＴＨｚ）を示し、縦軸に、フーリエ変換信号強度（ＦＴ強度；単位任意）を示す。時間領域信号をフーリエ変換（ＦＴ変換）を行なうことにより、周波数領域の信号を得ることができる。

図９に示すように、ＦＴ強度は、各バイアス電場において８．８ＴＨｚの周波数で、ピーク値を有する。この８．８ＴＨｚは、ＧａＡｓのコヒーレントＬＯフォノンエネルギに相当する。このＦＴ強度が、１５０ｋＶ／ｃｍの電場付近で最も大きくなるのが観測される。すなわち、図８に示す時間１．０ｐｓ以降の振動構造が、ＧａＡｓのコヒーレントＬＯフォノンによるものであると考えられる。

図１０は、光電流スペクトルから推定されるＥ２ＨＨ１励起子およびＥ２ＨＨ２励起子のエネルギ差ΔＥ（ＨＨ１−ＨＨ２）とコヒーレントＬＯフォノンのＦＴ強度との関係を示す図である。横軸に、電場（単位ｋＶ／ｃｍ）を示す、縦軸に、ＦＴ強度およびエネルギ差ΔＥ（ＨＨ１−ＨＨ２）（単位ｍｅＶ）を示す。ＥＬＯは、ＧａＡｓのコヒーレントＬＯフォノンエネルギを示す。ＦＴ強度は、コヒーレントＬＯフォノンの振動振幅の二乗に対応する。白丸印は、コヒーレントＬＯフォノン強度を示し、黒丸印が、エネルギ差ΔＥ（ＨＨ１−ＨＨ２）を示す。ＦＴ強度は、電場１５５ｋＶ／ｃｍでピーク値に到達する。図９に示すように、低電場印加時に比べて、数百倍のコヒーレントＬＯフォノンＦＴ強度値が得られる。したがって、ＨＨ１およびＨＨ２サブバンド間エネルギを、ＧａＡｓのコヒーレントＬＯフォノンエネルギＥＬＯに同調させることにより、共鳴状態が生じ、コヒーレントＬＯフォノンの振動振幅を大きくすることができる。これは、励起子エネルギでの共鳴効果および励起子干渉の縦分極とコヒーレントＬＯフォノンの縦分極との結合により生じると考えられる。

図１１は、コヒーレントＬＯフォノンのフーリエ変換強度（ＦＴ強度）のポンプ（励起）エネルギ依存性を示す図である。図１１において、横軸に、ポンプ光（励起光）のフォトンエネルギを示し、縦軸に、ＦＴ強度およびレーザパルス強度を示す（それぞれ単位任意）。図１１において、点線で示される曲線Ｉが、ポンプレーザパルス強度を示す。ポンプレーザ光は、中心周波数が、１．５７３ｅＶである。一方、実線で示す曲線ＩＩが、ＧａＡｓのコヒーレントＬＯフォノンのＦＴ強度を示す。図１１には、併せて、Ｅ２ＨＨ１励起子およびＥ２ＨＨ２励起子の遷移エネルギをそれぞれ示す。

バイアス電場は、１５５ｋＶ／ｃｍである。図１１に示すように、コヒーレントＬＯフォノンのＦＴ強度は、１．５７３ｅＶのフォトンエネルギにおける１つのピーク値を有しているだけである。したがって、コヒーレントＬＯフォノンのＦＴ強度においては、励起子Ｅ２ＨＨ１、Ｅ２ＬＨ１、およびＥ２ＨＨ２それぞれのエネルギに対してはピーク値が存在しないため、Ｅ２ＨＨ１励起子およびＥ２ＨＨ２の干渉（縦分極）とコヒーレントＬＯフォノンとの結合により、コヒーレントＬＯフォノンの振幅増大が生じていると考えられる。すなわちＥ２ＨＨ１励起子およびＥ２ＨＨ２励起子の中心エネルギ近傍で、コヒーレントＬＯフォノンが最大強度となっており、量子数の異なるサブバンド間の励起子の干渉が、コヒーレントＬＯフォノンの駆動力となっていると考えられる。

レーザパルス（ポンプ光）は、図１１に示すように、励起子間エネルギ差ΔＥ（ＨＨ１−ＨＨ２）よりも広いスペクトルを有しており、したがって、これらの励起子Ｅ２ＨＨ１およびＥ２ＨＨ２を、同時に発生させることができる。これらの励起子のパルス状の縦分極が励起子Ｅ２ＨＨ１およびＥ２ＨＨ２間の干渉により生じ、この縦分極が、エネルギ差ΔＥ（ＨＨ１−ＨＨ２）が、ほぼコヒーレントＧａＡｓ的ＬＯフォノンエネルギＥＬＯに、バイアス電場１５５ｋＶ／ｃｍの条件下で結合され、コヒーレントＬＯフォノンと励起子干渉の縦分極の共鳴作用により、コヒーレントＬＯフォノンが増強され、長期にわたって安定な振動構造が生成される。

以上の議論をまとめると、以下のようにまとめられる。図８に示す時間領域信号においては、時間遅延１．０ｐｓ以前の振動構造においては、うなりは生じていないため、Ｅ２ＨＨ１−Ｅ２ＨＨ２励起子間の量子ビートが観測されていないため、高次（ｎ＝２以上）のサブバンド電子のコヒーレンス時間は非常に短いと考えられる。波動関数は、ＱＣＳＥにより非対称化しており、２つの励起子が瞬間的にでも干渉した場合、その縦分極がコヒーレントＬＯフォノンに対する駆動力として機能し、コヒーレントＬＯフォノンを増強する。これにより、一定の周期の振動構造を有するコヒーレントＬＯフォノンを生成することができる。

図１２は、ＴＭ法に従って計算した励起子の遷移確率（電子／正孔波動関数の重なり積分の２乗値）の印加電場強度依存性を示す図である。横軸に、電場（単位ｋＶ／ｃｍ）を示し、縦軸に、遷移確率（二乗オーバラップ積分）｜＜Ｅｎ｜ＨＨｍ＞｜²を示す。ここで、ｎ，ｍは、サブバンドの量子数を示し、それぞれ１または２である。

励起子は、いわゆる電気双極子モーメントが、波動関数の対称性のずれから生じており、遷移確率は、確率振幅の二乗に比例する。この図１２において、励起子ＥｎＨＨｍ（ｎ、ｍ＝１，２）において、共鳴電場近傍において、Ｅ２ＨＨ１励起子とＥ２ＨＨ２励起子の遷移振動子の強度がほぼ一致しており、強い励起子間干渉が生じ、コヒーレントＬＯフォノンを駆動することが見られる。

ここで、共鳴電場は、図１２においては、１５５ではなく１３０から１４０ｋＶ／ｃｍであるが、これは測定値と異なっているものの、測定時においては、ポンプアンドプローブ法に基づいて測定を行なっているため、プローブ時の照射光（プローブ光）により光励起されたキャリアによるクローンスクリーニングにより、電場がシフトしているためであると考えられる。従って、実使用時には、バイアス電場としては、井戸層に１３０ｋＶ／ｃｍ付近の電場が印加されるようなバイアス電圧を印加する。

図１３は、対象としている量子井戸構造における電場印加条件下でのポテンシャル構造および電子・正孔包絡波動関数を概略的に示す図である。図１３においては、量子数１および２の電子準位Ｅ１およびＥ２と、量子数１および２の重い正孔の準位ＨＨ１およびＨＨ２を示す。包絡波動関数の非対称性のずれは、有効質量に比例するため、量子数１の重い正孔の準位ＨＨ１および量子数２の重い正孔ＨＨ２の対称性が崩れ、同様、電子準位Ｅ２においても対称性が崩れる。この対称性の崩れにより、膜垂直方向（膜成長方向）に瞬間的に縦分極Ｐが発生する。このとき励起子Ｅ２ＨＨ１およびＥ２ＨＨ２の遷移エネルギ差ΔＥが、ＧａＡｓのコヒーレントＬＯフォノンのエネルギＥＬＯと等しくなるように外部からの印加バイアス電圧で調整する。従って、図１に示すバイアス電圧印加回路が生成するバイアス電圧のレベルを調整することにより、長期にわたって安定な振動構造を有するテラヘルツ波を光照射回路からの照射光（ポンプ光）に応じて発生することができる。このとき、バイアス電圧印加回路からのバイアス電圧を、励起光照射と同期してかつ発生周期を送信情報に応じて調整することにより、テラヘルツ波をバイアス電圧パルスおよび励起光パルス列に応じて生成することができ、テラヘルツ波を送信情報に応じて変調することができる。

図１４は、この発明の実施の形態１に従うテラヘルツ波変調装置の構成を、より具体的に示す図である。図１４において、テラヘルツ波変調装置は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子１と、このテラヘルツ波発生素子１に所定の光エネルギの超短パルスを照射する光照射回路２とテラヘルツ波発生素子１に電圧パルスを、光照射回路２からの超短光パルスに同期して電圧パルスを印加する電圧パルス印加回路１０と、光照射回路２および電圧パルス印加回路１０のパルス発生を同期的に制御する制御回路１２を含む。

テラヘルツ波発生素子１は、先の図１に示す構成と同様、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多重量子井戸構造ＭＱＷを有し、井戸層（ＧａＡｓ膜）の膜厚は、たとえば１５．３ｎｍであり、障壁層（ＡｌＡｓ膜）の膜厚は、４．５ｎｍである。

光照射回路２は、モード同期のチタン：サファイアパルスレーザを含み、そのパルス幅は一例として８０ｆｓ（フェムト秒）であり、出力が、たとえば２０ｍＷである。この光照射回路２からの光パルスは、中心エネルギが１．５７１ｅＶである。

電圧パルス印加回路１０が生成する電圧パルスは、テラヘルツ波発生素子１の量子井戸層に印加される電場が１５５ｋＶ／ｃｍ（またはプローブ光の効果を考慮して、１３０ｋＶ／ｃｍ付近）となる電圧レベルに設定される。電圧パルス印加回路１０の発生するパルス電圧は、したがって、テラヘルツ波発生素子１の多重量子井戸構造ＭＱＷの全体の層厚およびｉ層の層厚に依存して、その電圧レベルが設定される。電圧パルスのパルス幅は、超短パルス印加時において確実に量子閉込めシュタルク効果を生じさせるため、超短パルスのパルス幅以上に設定される。

光照射回路２および電圧パルス印加回路１０を、制御回路１２の制御の下に同期動作させる。この電圧パルス印加回路１０からの電圧パルスを、制御回路１２の下に、その発生周期で変調する。

図１５は、図１４に示すテラヘルツ波変調装置の出力信号波形を概略的に示す図である。図１５において、電圧パルス印加回路１０からのパルス電圧と、テラヘルツ波発生素子１からのテラヘルツ電磁波（ＴＨｚ電磁波）と時間軸を併せて示す。また、ＴＨｚ電磁波の詳細波形を、図の上部に示す。テラヘルツ波（ＴＨｚ電磁波）の詳細波形の横軸の単位時間はｐｓ（：ピコ秒）である。

制御回路１２の制御の下に、光照射回路２および電圧パルス印加回路１０から同期して超短パルス光パルスおよび電圧パルスを印加する。これらの超短光パルスおよび電圧パルスの印加においてテラヘルツ波発生素子１が、先に詳細に説明したように、ＴＨｚ電磁波をそのコヒーレントＬＯフォノンの振動により発生する。したがって、電圧パルス列に応じてＴＨｚ電磁波が生成され、電圧パルス印加回路１０からのパルス電圧を、テラヘルツ波電磁波に変調して伝送することができる。

また、これは、言い換えれば、ＴＨｚ電磁波が、電圧パルス印加回路１０からのパルス列により変調されていると言える。超短光パルスおよびパルス電圧を、制御回路１２の制御の下に、送信データに応じてパルス列間隔の調整（周波数変調）を行なうことにより、パルス電圧列に応じたテラヘルツ電磁波（ＴＨｚ電磁波）を生成することができ、光通信と同様テラヘルツ電磁波を搬送波としてデータを送信することができる。

なお、光照射回路２からの超短光パルスに応答して、まずＴＨｚ電磁波波形の振幅が大きく変化し、次いで１ｐｓ以降において定常的な振動構造が実現される。ＴＨｚ電磁波として、この１ｐｓ以後の定常的な振動波形のみを利用する場合、時間ウィンド信号などにより、時間１ｐｓ以前の信号の伝達を禁止する構成が用いられてもよい（ギガヘルツ領域でスイッチング動作するトランジスタは、現在でも利用することができる）。

また、通信分野での送信情報に代えて、被測定対象物に対し電圧パルス印加回路１０および光照射回路２からの超短光パルスの印加タイミングを調整することにより、非測定対象面を走査して、必要な位置の情報を選択的に得ることができる。これにより、センシング装置への応用において、発振強度の変調されたテラヘルツ光を測定対象に照射することにより測定対象の高精度に位置決めされた部位のサンプリングを行うことができ、微小部位のセンシングを正確に行なうことができる。

なお、多重量子井戸構造において、ＧａＡｓ層厚およびＡｌＡｓ層厚は、厚くなると、量子サイズ効果が弱くなり、サブバンドの分裂エネルギが小さくなり、サブバンドＨＨ１およびＨＨ２のエネルギ差が小さくなる。また、障壁層およびｉ層の膜厚が変化した場合、井戸層に印加されるバイアス電場も変化する。したがって、この多重量子井戸構造ＭＱＷにおける井戸層（ＧａＡｓ層）および障壁層（ＡｌＡｓ層）の層厚およびＭＱＷ構造およびｉ層の全体の膜厚に応じて、電圧パルス印加回路１０の生成するパルス電圧レベルが、量子数１および２の重い正孔のサブバンドＨＨ２およびＨＨ１のエネルギ差が、コヒーレントＬＯフォノンの振動エネルギに対応する電圧レベルに設定される。

従って、ＧａＡｓ膜およびＡｌＡｓ膜の膜厚が、それぞれ、１５．３ｎｍおよび４．５ｎｍで２０周期繰返して積層した量子井戸構造で上下のｉ層の膜厚が各々５０ｎｍの場合に、バイアス電場が１５５ｋＶ／ｃｍとなり、また超短光パルスのフォトンエネルギが１．５７１ｅＶに設定されるのは、例示的な１つの具体例である。

また、上述の説明においては、ＧａＡｓ層およびＡｌＡｓ層を単位周期として、多重量子井戸構造を形成している。しかしながら、多重量子井戸構造の構成物質は、物理原理的にＧａＡｓおよびＡｌＡｓに限定する必要はなく、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＧａＮなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料、また、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＣｄＳなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体、さらにはＳｉ、ＧｅなどのＩＶ族半導体を用いても実施することができる。この場合においても、量子サイズ効果によるＱＣＳＥにより波動関数の対称性が崩れ、異なる量子数のサブバンド間のエネルギ差または同一量子数の重い正孔および軽い正孔サブバンドの励起子遷移エネルギ差が、コヒーレントＬＯフォノンの振動数エネルギに対応するようにバイアス電場が印加される。

すなわち、多重量子井戸構造の半導体で構成されるテラヘルツ波発生素子に対して、量子井戸に形成される２種類の励起子間に量子干渉ビートを生じさせるエネルギを有するパルス光を照射し、これらの２種類の励起子間のエネルギ差を量子閉込めシュタルク効果を利用して調節し、半導体のＬＯフォノンの周波数に、２種類の励起子間の量子干渉ビートの周波数を一致させる。これにより、コヒーレントＬＯフォノン振動によるテラヘルツ波を増幅することができ、安定なテラヘルツ波を生成することができる。

また、半導体のＬＯフォノンの周波数と量子干渉ビートの周波数の一致／不一致を変動させることにより、コヒーレントＬＯフォノン振動によるテラヘルツ波の増幅率を変動させて発振強度を変調する。

なお、図１４に示すテラヘルツ波変調装置の構成においては、制御回路１２が光照射回路２および電圧パルス印加回路１０のパルス印加と同期動作させている。しかしながら、光照射回路２が、たとえば一定の周期、たとえば８０ＭＨｚで光パルスを発生する場合、この超短光パルスに同期して電圧パルス印加回路１０が電圧パルスを発生することにより、光照射回路２からの超短パルスの発生周期に応じた周期でテラヘルツ波を発生することができる。

この発明のテラヘルツ波変調装置は、テラヘルツ波を利用する情報通信において革新的な利用価値があるとともに、バイオ・環境センシングおよびテラヘルツイメージングにおいてはデータサンプリングの制御に利用することができ、その意義と価値は大きい。

この発明の実施の形態１に従うテラヘルツ波変調装置の構成を概略的に示す図である。図１に示すテラヘルツ波発生素子の要部の構成を概略的に示す図である。図２に示す多重量子井戸構造のエネルギバンドを概略的に示す図である。（Ａ）は、ポテンシャル井戸における包絡波動関数の形態を示し、（Ｂ）は、電場印加時の包絡波動関数の構成を概略的に示す。電場印加時の重い正孔および軽い正孔の包絡波動関数の形状を概略的に示す図である。図１に示すテラヘルツ波発生素子の印加電場と励起子遷移エネルギの関係を示す図である。図６に示す関係の各バイアス電場印加時の光電流密度と照射フォトンおよびその関係を示す図である。テラヘルツ波発生素子の時間分解反射率変化の時間領域信号を示す図である。図８に示す時間領域信号の周波数領域における強度を示す図である。図９に示すフーリエ変換後の信号強度の電場依存性とコヒーレントＬＯフォノンとの関係と励起子振動エネルギとの関係を示す図である。照射レーザ光がスペクトル分布とテラヘルツ波のＦＴ強度の関係を示す図である。各励起子の遷移確率分布と共鳴電場との関係を示す図である。ポテンシャル井戸における電場印加時のエネルギバンドの対称構成を概略的に示す図である。この発明の実施の形態１に従うテラヘルツ波変調装置の構成をより具体的に示す図である。図１４に示すテラヘルツ波変調装置の出力電磁場と印加パルスのタイミング関係を示す図である。

符号の説明

１テラヘルツ波発生素子、２光照射回路、４バイアス電圧印加回路、１０電圧パルス印加回路、１２制御回路。

Claims

多重量子井戸構造を含む半導体からなるテラヘルツ波発生素子と、
前記多重量子井戸構造の量子井戸に形成されるエネルギの異なる２種類の励起子間に量子干渉ビートを生じさせるエネルギを有する光パルスを前記テラヘルツ波発生素子に照射する光照射回路と、
前記多重量子井戸構造を含む半導体の縦光学フォノンの周波数に、前記異なる２種類の励起子間の量子干渉ビートの周波数を一致させてコヒーレント縦光学フォノン振動によるテラヘルツ波を増幅するように、前記多重量子井戸内に形成される前記２種類の励起子間のエネルギ差を量子閉込めシュタルク効果を利用して調節するためのバイアス電圧を供給するバイアス電圧供給回路とを含む、テラヘルツ波増幅装置。
前記テラヘルツ波発生素子はｐ−ｉ−ｎダイオードであり、前記ダイオードに含まれる前記ｉ層が前記多重量子井戸構造を含む、請求項１記載のテラヘルツ波増幅装置。
前記多重量子井戸構造は、ＧａＡｓ層とＡｌＡｓ層とで構成される、請求項１または２に記載のテラヘルツ波増幅装置。
多重量子井戸構造を含む半導体からなるテラヘルツ発生素子と、
前記多重量子井戸構造の量子井戸に形成されるエネルギの異なる２種類の励起子間に量子干渉ビートを生じさせるエネルギを有するパルス光を前記テラヘルツ発生素子に照射する光照射回路と、
バイアス電圧を供給することによって前記２種類の励起子間の量子干渉ビートの周波数を変化させるバイアス電圧供給回路とを含み、
前記バイアス電圧供給回路は、前記バイアス電圧のパルス波形を変動させることによって、量子閉込めシュタルク効果を利用して、多重量子井戸の種々の励起子エネルギを制御し、前記半導体の縦光学フォノンの周波数と前記量子干渉ビートの周波数の一致と不一致を変動させ、それによってコヒーレント縦光学フォノン振動によるテラヘルツ波の増幅率を変動させて発振強度を変調する、テラヘルツ波変調装置。
請求項４に記載されるテラヘルツ波変調装置を含み、そのテラヘルツ波変調機能を利用する、通信装置。
請求項４に記載されるテラヘルツ波変調装置を含み、そのテラヘルツ波変調機能を利用する、センシング装置。