JP2007324310A - Electromagnetic wave generator - Google Patents

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Masahiko Tani
正彦 谷
Masanori Hagiyuki
正憲 萩行
Shinichi Takigawa
信一 瀧川
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromagnetic wave generator capable of obtaining a high terahertz output even with normal (unamplified) femtosecond laser light. <P>SOLUTION: The electromagnetic wave generator for generating electromagnetic waves based on irradiated light includes a semiconductor substrate, a first approximately belt-like electrode provided on the substrate, and a second belt-like electrode parallel to the first electrode on the substrate. The first electrode has a sharp edge protrusion protruding toward the second electrode, and the sharp edge has an acute angle smaller than 90°. In addition, the generator includes an optical element for forming a plurality of condensing spots in a plurality of regions including the tip of the sharp edge protrusion. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置に関し、特に、短パルス光を用いてテラヘルツ電磁波を発生する電磁波発生装置に関する。   The present invention relates to an electromagnetic wave generating device that generates an electromagnetic wave based on irradiated light, and more particularly to an electromagnetic wave generating device that generates a terahertz electromagnetic wave using short pulse light.

近年、0.1〜10THzの周波数を有する電磁波、いわゆるテラヘルツ波の研究開発が盛んである。このテラヘルツ波は、電波のもつ透過性と光のもつ集光性を有し、X線より安全な透過分析をすることができる。更には、多くの材料が、0.1〜10THzの周波数帯に固有の吸収スペクトルを有することから、材料、材質の特定が可能である。このため、テラヘルツ波はセキュリティ、バイオ、メディカル、食品加工、鮮度分析、産業応用などの分野で用いられることが期待されている。   In recent years, research and development of electromagnetic waves having a frequency of 0.1 to 10 THz, so-called terahertz waves, are active. This terahertz wave has the transparency of radio waves and the light condensing property of light, and can perform transmission analysis more safely than X-rays. Furthermore, since many materials have an absorption spectrum specific to the frequency band of 0.1 to 10 THz, the material and the material can be specified. For this reason, terahertz waves are expected to be used in fields such as security, biotechnology, medical, food processing, freshness analysis, and industrial applications.

テラヘルツ波を発生させる代表的手段として、図16に示すような光伝導スイッチ素子を用いる(たとえば非特許文献1)。この素子では、半絶縁性GaAs基板101(または半絶縁性GaAs基板上に低温成長GaAsを形成した基板)上に金などの電極102、103が形成されている。電極には凸部102A、103Aがあり、これら凸部は電磁波放射用のアンテナとなっている。電極102、103には電圧源104が接続されている。電圧源104によりバイアス電圧が電極102、103間に印加されているが、電極間の半絶縁性GaAs基板101に自由キャリアがほとんど無いため、(無照射時には)電流は流れない。この電極凸部102A、103A間にフェムト秒レーザ光105(波長約800nm、パルス幅約100fs)を照射すると、照射されたスポット106では自由キャリア(電子・正孔)が生じ、電極凸部102A、103A間にパルス状電流が流れる。このパルス状電流により電磁波が発生し、主に基板101の裏面(電極が形成されていない面)から放射される。この電磁波の周波数は1〜2THzまで有し、所謂、テラヘルツ波となる。   As a typical means for generating terahertz waves, a photoconductive switch element as shown in FIG. 16 is used (for example, Non-Patent Document 1). In this element, electrodes 102 and 103 such as gold are formed on a semi-insulating GaAs substrate 101 (or a substrate in which low-temperature grown GaAs is formed on a semi-insulating GaAs substrate). The electrodes have convex portions 102A and 103A, and these convex portions are antennas for electromagnetic wave radiation. A voltage source 104 is connected to the electrodes 102 and 103. A bias voltage is applied between the electrodes 102 and 103 by the voltage source 104. However, since there is almost no free carrier in the semi-insulating GaAs substrate 101 between the electrodes, no current flows (when there is no irradiation). When femtosecond laser light 105 (wavelength: about 800 nm, pulse width: about 100 fs) is irradiated between the electrode protrusions 102A and 103A, free carriers (electrons / holes) are generated in the irradiated spot 106, and the electrode protrusions 102A, A pulsed current flows between 103A. An electromagnetic wave is generated by this pulsed current and is emitted mainly from the back surface (the surface on which no electrode is formed) of the substrate 101. This electromagnetic wave has a frequency of 1 to 2 THz, which is a so-called terahertz wave.

テラヘルツ波を用いた測定で信号対雑音比を向上させるためには、テラヘルツ波の出力が高いほうが望ましい。図16の構造をアレイ化することにより、高出力化できることができる。その例を図17に示す。類似の構造は、例えば特許文献1にみることができる。   In order to improve the signal-to-noise ratio in the measurement using the terahertz wave, it is desirable that the output of the terahertz wave is high. By making the structure of FIG. 16 into an array, high output can be achieved. An example is shown in FIG. A similar structure can be found, for example, in US Pat.

半絶縁性GaAs基板107(または半絶縁性基板に低温成長GaAsを成長させた基板)上に 電極108、109が形成されている。金電極は凸部分(108A〜E、109A〜E)を5組有し電磁波用の5組のアンテナとなっている。電極108、109間には電圧源110によりバイアス電圧が印加されている。電極凸部108A〜E、109A〜E間にフェムト秒レーザ光111を照射すると、照射されたスポット112では自由キャリア(電子・正孔)が生じ、電流が流れ、テラヘルツ波が放射される。テラヘルツ波の出力は、理想的には、(光伝導スイッチ素子1個あたりの出力)x(素子数)2になる。   Electrodes 108 and 109 are formed on a semi-insulating GaAs substrate 107 (or a substrate obtained by growing low-temperature grown GaAs on a semi-insulating substrate). The gold electrode has five sets of convex portions (108A to E, 109A to E) and serves as five sets of antennas for electromagnetic waves. A bias voltage is applied between the electrodes 108 and 109 by the voltage source 110. When the femtosecond laser beam 111 is irradiated between the electrode convex portions 108A to E and 109A to E, free carriers (electrons and holes) are generated in the irradiated spot 112, a current flows, and a terahertz wave is emitted. The output of the terahertz wave is ideally (output per one photoconductive switch element) × (number of elements) 2.

また別の従来例(非特許文献2)を図18に示す。半絶縁性GaAs基板120上に金/クロム電極121、122が3組形成されている。電圧源123により電極121には正電位が電極122には負電極が形成されている。各電極組の間には、逆位相の電磁波が放射されないよう、不透明膜124が形成されている。不透明膜はポリイミド層またはSiO2層をスペーサ層とした金/クロム膜から構成されている。入射フェムト秒レーザ125は拡大されスポット126のようになり、電極全域に照射される。この電極間の光伝道スイッチ素子からテラへルツ波が放射され、その結果、テラヘルツ波の放射が増大する。なお、この構成において電位が反転する光伝導スイッチ素子の部分は、不透明膜124により遮光されスイッチングされない。その結果、位相が反転したテラヘルツ波が出力されず、高出力を得ることができる。
特開2000-49402号公報 谷正彦、山口真理子、米倉泰次郎、宮丸文章、山本晃司、萩行正憲、電子情報通信学会、vol.87 No.8 718 (2004) A. Dreyhaupt, S. Winner, T. Dekorsy, and M. Helm, Applied Physics Lettetrs, vol. 86 121114 (2005)
Another conventional example (Non-Patent Document 2) is shown in FIG. Three sets of gold / chrome electrodes 121 and 122 are formed on a semi-insulating GaAs substrate 120. The voltage source 123 forms a positive potential on the electrode 121 and a negative electrode on the electrode 122. An opaque film 124 is formed between the electrode sets so as not to radiate anti-phase electromagnetic waves. The opaque film is composed of a gold / chromium film having a polyimide layer or a SiO2 layer as a spacer layer. The incident femtosecond laser 125 is enlarged to form a spot 126 and is irradiated on the entire electrode. A terahertz wave is radiated from the photoconductive switch element between the electrodes, and as a result, the radiation of the terahertz wave increases. In this configuration, the portion of the photoconductive switch element whose potential is inverted is shielded by the opaque film 124 and is not switched. As a result, a terahertz wave having an inverted phase is not output, and a high output can be obtained.
JP 2000-49402 A Masahiko Tani, Mariko Yamaguchi, Taijiro Yonekura, Fumi Miyamaru, Junji Yamamoto, Masanori Minayuki, IEICE, vol.87 No.8 718 (2004) A. Dreyhaupt, S. Winner, T. Dekorsy, and M. Helm, Applied Physics Lettetrs, vol. 86 121114 (2005)

図17のような構造では、各電極凸部108A〜E、109A〜E間にフェムト秒レーザ光を照射するため、スポット112を(図16の場合に比べて)拡大しなければならない。また、光伝導スイッチ素子領域以外にもフェムト秒レーザが照射されるが、これらは電磁波発生に寄与しない。このため、同じフェムト秒レーザ光量のままでは、照射スポットにおける光量が減少→生成キャリア数が減り、パルス状電流の減少→光伝導スイッチ素子1個あたりの出力の低下→全テラヘルツ出力の低下となってしまう。同様な問題は、図18の従来例でも起こる。特に、図18の場合は、不透明膜124の領域が大きな損失になり、高出力フェムト秒レーザ光が必要である。   In the structure as shown in FIG. 17, the spot 112 must be enlarged (compared to the case of FIG. 16) in order to irradiate femtosecond laser light between the electrode convex portions 108A-E and 109A-E. In addition, the femtosecond laser is irradiated outside the photoconductive switch element region, but these do not contribute to the generation of electromagnetic waves. For this reason, with the same amount of femtosecond laser light, the light amount at the irradiation spot decreases → the number of generated carriers decreases, the pulse current decreases, the output per photoconductive switch element decreases, and the total terahertz output decreases. End up. Similar problems occur in the conventional example of FIG. In particular, in the case of FIG. 18, the region of the opaque film 124 is greatly lost, and a high-power femtosecond laser beam is required.

これに対し、特許文献1においては、拡大した入射光を分割し、レンズなどによって各光伝導スイッチ素子に集光させることが述べられている。しかし、単に拡大した光を集光するのみでは、十分な出力を得ることが困難である。   On the other hand, Patent Document 1 describes that the enlarged incident light is divided and condensed on each photoconductive switch element by a lens or the like. However, it is difficult to obtain a sufficient output simply by collecting the expanded light.

また、フェムト秒レーザ光を増幅し、レーザ光を強めて使用することも考えられるが、そのような増幅装置(例えば再生増幅型レーザ装置)は一般に大型/高価であり、実用上好ましくない。   Although it is conceivable to amplify femtosecond laser light and use the laser light intensified, such an amplification device (for example, a regenerative amplification type laser device) is generally large / expensive, which is not preferable in practice.

更なる課題としては、二次元に光伝導スイッチ素子を配置すると、電位が反転する領域(すなわち放射電磁波を弱めてしまう領域)ができてしまう。図18の場合には遮光領域を設けてることにより対処しているが、このような無効領域の存在により光伝導スイッチ素子が大型化し、チップコストを上げてしまう。   As a further problem, when the photoconductive switch element is two-dimensionally arranged, a region where the potential is reversed (that is, a region where the radiated electromagnetic wave is weakened) is formed. In the case of FIG. 18, this is dealt with by providing a light-shielding region. However, the existence of such an ineffective region increases the size of the photoconductive switch element and increases the chip cost.

そこで本発明は、一般的な(増幅を行わない)フェムト秒レーザ光でも高いテラヘルツ出力が得られ、かつ、無効領域が少なくコストパフォーマンスが高い光伝導スイッチ素子を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a photoconductive switch element that can obtain a high terahertz output even with a general (non-amplified) femtosecond laser beam and has a low ineffective region and high cost performance.

上記課題を解決するため本発明の電磁波発生装置は、照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた略帯状の第1電極と、前記半導体基板に、第1電極に並行する帯状の第2電極とを備え、前記第1電極は前記第2電極に向けて突出する先鋭部を有し、前記先鋭部は90度未満の鋭角をもつことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, an electromagnetic wave generator of the present invention is an electromagnetic wave generator that generates an electromagnetic wave based on irradiated light, and includes a semiconductor substrate and a substantially strip-shaped first electrode provided on the semiconductor substrate. The semiconductor substrate includes a strip-shaped second electrode parallel to the first electrode, the first electrode having a sharpened portion protruding toward the second electrode, and the sharpened portion having an acute angle of less than 90 degrees It is characterized by having.

この構成によれば、電界が集中する鋭い先鋭部を設けることで、キャリア生成が増大し強いパルス状電流が得られる。これらの結果、テラヘルツ出力を増大させることができる。   According to this configuration, by providing a sharp pointed portion where the electric field is concentrated, carrier generation is increased and a strong pulsed current can be obtained. As a result, the terahertz output can be increased.

ここで、前記第1電極は、所定間隔で配置された複数の先鋭部を有し、前記電磁波発生装置は、さらに、先鋭部の先端を含む複数の領域に複数の集光スポットを形成する光学素子を備えてもよい。   Here, the first electrode has a plurality of sharpened portions arranged at a predetermined interval, and the electromagnetic wave generating device further includes an optical for forming a plurality of focused spots in a plurality of regions including the tips of the sharpened portions. An element may be provided.

この構成によれば、光学素子によって、光の密度を高め無効な光照射を低減させることができる。これらの結果、さらに、テラヘルツ出力を増大させることができる。   According to this configuration, the optical element can increase the light density and reduce invalid light irradiation. As a result, the terahertz output can be further increased.

また本発明の電磁波発生装置は、照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた略帯状の複数の第1電極と、前記半導体基板に、第1電極に並行して交互に設けられた、帯状の複数の第2電極と、集光素子とを備え、前記第1電極の各々は前記第2電極に向けて突出する複数の先鋭部を有し、前記先鋭部は90度未満の鋭角をもち、前記集光素子は、先鋭部の先端を含む複数の領域に複数の集光スポットを照射する。   The electromagnetic wave generator of the present invention is an electromagnetic wave generator that generates an electromagnetic wave based on irradiated light, the semiconductor substrate, a plurality of substantially strip-shaped first electrodes provided on the semiconductor substrate, and the semiconductor A substrate is provided with a plurality of strip-shaped second electrodes provided alternately in parallel with the first electrode, and a light collecting element, and each of the first electrodes protrudes toward the second electrode. The sharpened portion has an acute angle of less than 90 degrees, and the condensing element irradiates a plurality of condensing spots on a plurality of regions including the tip of the sharpened portion.

この構成によれば、集光素子によって、光の密度を高め無効な光照射を低減させることができる。また、電界が集中する鋭い複数の先鋭部にレーザ光を集光することで、キャリア生成が増大し強いパルス状電流が得られる。これらの結果、テラヘルツ出力を増大させることができる。   According to this configuration, the light condensing element can increase the light density and reduce invalid light irradiation. Further, by focusing the laser beam on a plurality of sharp points where the electric field is concentrated, carrier generation is increased and a strong pulsed current can be obtained. As a result, the terahertz output can be increased.

ここで、前記複数の第1電極は正電極としてもよい。
生成した電子は正電極へ走行する。正電極近傍で電子を生成・加速させることにより、出射電磁波の周波数をより高くすることができる。すなわち、出力を広帯域化でき、分析などへの応用上有用である。なお、正孔の走行による電磁波放射は、電子によるものに比べると小さく、影響は無視できる。
Here, the plurality of first electrodes may be positive electrodes.
The generated electrons travel to the positive electrode. By generating and accelerating electrons in the vicinity of the positive electrode, the frequency of the emitted electromagnetic wave can be further increased. That is, the output can be widened, which is useful for analysis and the like. Electromagnetic radiation due to the traveling of holes is smaller than that due to electrons, and the influence can be ignored.

ここで、前記複数の第1電極は、同じ向きの長手方向の一辺に前記複数の先鋭部を有し、先鋭部の先端を含む領域のそれぞれは光伝導スイッチを構成するようにしてもよい。   Here, the plurality of first electrodes may have the plurality of sharpened portions on one side in the same longitudinal direction, and each of the regions including the tips of the sharpened portions may constitute a photoconductive switch.

この構成によれば、各々の光伝導スイッチ素子の電位方向は同方向になる。同方向にすることにより、各アレイ素子から同位相の電磁波が放射され、出力が増加する。   According to this configuration, the potential direction of each photoconductive switch element is the same direction. By setting them in the same direction, electromagnetic waves having the same phase are emitted from each array element, and the output increases.

ここで、前記電磁波発生装置は、さらに、前記複数の集光スポット以外の領域に、光を低減させる膜が形成されていてもよい。   Here, the electromagnetic wave generator may further include a film for reducing light in a region other than the plurality of focused spots.

この構成によれば、たとえば散乱光や迷光が電極間に照射されることにより、基板上に寄生光伝導スイッチ素子領域が発生することを防ぐ。   According to this configuration, for example, the generation of a parasitic photoconductive switch element region on the substrate is prevented by irradiating scattered light or stray light between the electrodes.

ここで、前記光を低減させる膜は、光を反射する機能を有していてもよい。
このような反射膜を形成することにより、光学集光素子と電極を有する基板とのアライメントが容易になる。
Here, the film for reducing light may have a function of reflecting light.
By forming such a reflective film, alignment between the optical condensing element and the substrate having the electrodes is facilitated.

ここで、前記先鋭部の表面には保護膜を有していてもよい。
表面保護膜により、強い電界による空気放電を防ぐことができる。
Here, a protective film may be provided on the surface of the sharpened portion.
The surface protective film can prevent air discharge due to a strong electric field.

ここで、前記複数の先鋭部は二次元状に配置されていてもよい。
この構成によれば、二次元アレイとすることにより、より多くの光出力を得ることができる。
Here, the plurality of sharpened portions may be two-dimensionally arranged.
According to this configuration, more light output can be obtained by using a two-dimensional array.

ここで、前記複数の先鋭部は行列状に配置され、各行が隣接する行に対して、または各列が隣接する列に対して、半ピッチずれて配置されていてもよい。   Here, the plurality of sharpened portions may be arranged in a matrix, and each row may be arranged so as to be shifted by a half pitch with respect to an adjacent row or each column with respect to an adjacent column.

この構成によれば、集光素子の各エレメント(例えば微小レンズ)を最密に配列することができ、各エレメント間の無効領域(集光されない領域など)を低減させることができる。この結果、高効率に動作する。   According to this configuration, the elements (for example, microlenses) of the light condensing elements can be arranged in a close-packed manner, and an ineffective area (such as a region where light is not condensed) between the elements can be reduced. As a result, it operates with high efficiency.

ここで、前記集光素子は、複数のシリンドリカル形状を有していてもよい。
集光素子の各エレメントをシリンドリカル形状とすることにより、作製が容易になる。
Here, the condensing element may have a plurality of cylindrical shapes.
By making each element of the condensing element into a cylindrical shape, the fabrication becomes easy.

ここで、前記電磁波の主波長をλ、前記半導体基板の屈折率をnとするとき、前記先鋭部の間隔はλ/2nに相当するようにしてもよい。   Here, when the main wavelength of the electromagnetic wave is λ and the refractive index of the semiconductor substrate is n, the interval between the sharpened portions may correspond to λ / 2n.

この構成によれば、先鋭部から放射される電磁波が共振し、より強い電磁波を放射することができる。   According to this configuration, the electromagnetic wave radiated from the sharpened point resonates, and a stronger electromagnetic wave can be emitted.

ここで、前記複数の第1電極は、長手方向の両辺に前記複数の先鋭部を有し、先鋭部の先端を含む領域のそれぞれは光伝導スイッチを構成し、前記電磁波発生装置は、さらに、前記各1電極の長手方向の第1の辺に対応する第1光伝導スイッチ群と、前記各第1電極の長手方向の第2の辺に対応する第2光伝導スイッチ群との間で、照射光に時間遅延を与える時間遅延素子を備えてもよい。   Here, each of the plurality of first electrodes has the plurality of sharpened portions on both sides in the longitudinal direction, each of the regions including the tips of the sharpened portions constitutes a photoconductive switch, and the electromagnetic wave generating device further includes: Between the first photoconductive switch group corresponding to the first side in the longitudinal direction of each one electrode and the second photoconductive switch group corresponding to the second side in the longitudinal direction of each first electrode, You may provide the time delay element which gives time delay to irradiation light.

この構成によれば、二次元状に光伝導スイッチ素子を形成した基板で、(第1伝導スイッチ群と第2伝導スイッチ群とで印加電界方向が逆なため)遮光が必要な領域を除去することができる。すなわち、基板の無駄な領域を減らすことができ、コストパフォーマンスが向上する。   According to this configuration, in the substrate on which the photoconductive switch elements are two-dimensionally formed, an area that needs to be shielded is removed (because the applied electric field direction is reversed between the first conductive switch group and the second conductive switch group). be able to. That is, the useless area of the substrate can be reduced, and the cost performance is improved.

ここで、前記時間遅延素子は、光透過材料により形成され、第1光伝導スイッチ群および第2光伝導スイッチ群に対応する凹凸を有していてもよい。   Here, the time delay element may be formed of a light-transmitting material and have irregularities corresponding to the first photoconductive switch group and the second photoconductive switch group.

この構成によれば、凸部を通過する光と、凹部を通過する光で時間遅延を付加することができ、周波数を制御できる。   According to this configuration, a time delay can be added by the light passing through the convex portion and the light passing through the concave portion, and the frequency can be controlled.

ここで、前記電磁波発生装置は、前記凹凸の高低差が異なる少なくとも2つの前記時間遅延素子を交換可能としてもよい。   Here, the electromagnetic wave generator may be capable of exchanging at least two time delay elements having different height differences of the unevenness.

凹凸の高低差を変更することにより、出射電磁波を特定の周波数に狭帯域化することができる。   By changing the height difference of the unevenness, the outgoing electromagnetic wave can be narrowed to a specific frequency.

ここで、前記電磁波発生装置は、前記凹凸の凸部および凹部に前記集光素子を備えてもよい。   Here, the electromagnetic wave generator may include the light condensing element on the convex and concave portions of the concave and convex portions.

この構成によれば、入射光が集光し、効率よく光伝導スイッチングを行うことができる。   According to this configuration, incident light is collected and photoconductive switching can be performed efficiently.

ここで、前記時間遅延素子は、凹凸を有しない面に前記集光素子を有していてもよい。
この構成によれば、集光素子の作製が容易になる。
Here, the said time delay element may have the said condensing element in the surface which does not have an unevenness | corrugation.
According to this configuration, the light collecting element can be easily manufactured.

ここで、前記時間遅延素子は前記半導体基板上に形成してもよい。
この構成によれば、装置全体を小型化することができる。
Here, the time delay element may be formed on the semiconductor substrate.
According to this configuration, the entire apparatus can be reduced in size.

また、本発明の電磁波発生装置は、照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた帯状の複数の第1電極と、前記半導体基板に、第1電極に並行して交互に設けられた、帯状の複数の第2電極と
を備え、前記第1電極と第2電極間に挟まれた領域は複数の光伝導スイッチを構成し、前記電磁波発生装置は、さらに、前記各1電極の長手方向の第1の辺に対応する第1光伝導スイッチ群と、前記各1電極の長手方向の第2の辺に対応する第2光伝導スイッチ群との間で、照射光に時間遅延を与える時間遅延素子を備える。
The electromagnetic wave generator of the present invention is an electromagnetic wave generator that generates an electromagnetic wave based on irradiated light, and includes a semiconductor substrate, a plurality of strip-shaped first electrodes provided on the semiconductor substrate, and the semiconductor The substrate includes a plurality of strip-shaped second electrodes provided alternately in parallel with the first electrode, and a region sandwiched between the first electrode and the second electrode constitutes a plurality of photoconductive switches. The electromagnetic wave generator further includes a first photoconductive switch group corresponding to a first side in the longitudinal direction of each one electrode and a second light corresponding to a second side in the longitudinal direction of each one electrode. A time delay element that gives a time delay to the irradiation light is provided between the conduction switch group.

この構成によれば、二次元状に光伝導スイッチ素子を形成した基板で、(第1伝導スイッチ群と第2伝導スイッチ群とで印加電界方向が逆なため)遮光が必要な領域を除去することができる。すなわち、基板の無駄な領域を減らすことができ、コストパフォーマンスが向上する。   According to this configuration, in the substrate on which the photoconductive switch elements are two-dimensionally formed, an area that needs to be shielded is removed (because the applied electric field direction is reversed between the first conductive switch group and the second conductive switch group). be able to. That is, the useless area of the substrate can be reduced, and the cost performance is improved.

また本発明の電磁波発生装置の製造方法は、上記の電磁波発生装置の製造方法であって、基板上に樹脂を形成し、前記樹脂を熱処理することにより集光素子を形成することを特徴とする。   The method for manufacturing an electromagnetic wave generator according to the present invention is a method for manufacturing the above-described electromagnetic wave generator, wherein a condensing element is formed by forming a resin on a substrate and heat-treating the resin. .

熱処理で樹脂が丸くなることを利用し、集光素子を作製する方法であり、容易に先鋭部分に対応した集光素子を形成することができる。   This is a method for producing a condensing element by utilizing the fact that the resin is rounded by the heat treatment, and the condensing element corresponding to the sharp part can be easily formed.

(第1の実施形態)
図1は本発明の第1実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。この電磁波発生装置は、半絶縁性GaAs基板1、先鋭凸部を5を有する略帯状の複数の電極2、複数の電極3、不透明ポリマー6、光学素子として機能する石英基板8から構成される。また、電圧源4は、金電極2を正電極として、金電極2と金電極3との間に電圧を印加する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an electromagnetic wave generator in a first embodiment of the present invention. This electromagnetic wave generating device is composed of a semi-insulating GaAs substrate 1, a plurality of substantially strip-shaped electrodes 2 having a sharp convex portion 5, a plurality of electrodes 3, an opaque polymer 6, and a quartz substrate 8 functioning as an optical element. Further, the voltage source 4 applies a voltage between the gold electrode 2 and the gold electrode 3 using the gold electrode 2 as a positive electrode.

厚さ350μmの半絶縁性GaAs基板1に幅10μm、間隔100μmの金電極2、3が交互に形成されている。この金電極2、3は、図1の上下方向にピッチ150μmで20組存在する(図1では簡単のため、3組のみ示している)。電極2、3は電圧源4に接続されており、電極2が正電位、電極3が負電位になるように配線されている。電圧源4は一定電圧でもよいし、また、入射フェムト秒レーザ光と同期したパルス電圧を供給してもよい。電極2には、底辺10μm、高さ15μmの二等辺三角形形状になる先鋭凸部5が、水平垂直方向ともに150μm間隔で20個形成されている(図1では簡単のため、4個のみ示している)。   Gold electrodes 2 and 3 having a width of 10 μm and an interval of 100 μm are alternately formed on a semi-insulating GaAs substrate 1 having a thickness of 350 μm. There are 20 gold electrodes 2 and 3 with a pitch of 150 μm in the vertical direction of FIG. 1 (only three sets are shown in FIG. 1 for simplicity). The electrodes 2 and 3 are connected to a voltage source 4 and are wired so that the electrode 2 has a positive potential and the electrode 3 has a negative potential. The voltage source 4 may be a constant voltage, or may supply a pulse voltage synchronized with the incident femtosecond laser beam. The electrode 2 is formed with 20 sharp convex portions 5 having an isosceles triangle shape with a base of 10 μm and a height of 15 μm at intervals of 150 μm in both the horizontal and vertical directions (only four are shown in FIG. 1 for simplicity). )

この間隔は、通常のダイポールアンテナからの電磁波の主周波数約0.5THz(主波長約600μm)のλ/2(半波長)に相当し、共鳴状態となり電磁波が強まる(半絶縁性GaAs基板の有効屈折率はおよそ2)。   This interval corresponds to λ / 2 (half wavelength) of the main frequency of about 0.5 THz (main wavelength of about 600 μm) of electromagnetic waves from a normal dipole antenna, and becomes a resonance state to increase the electromagnetic waves (effectiveness of a semi-insulating GaAs substrate) The refractive index is approximately 2).

先端部の角度は、鋭角であることが望ましく、本実施形態では約36度である。従って先鋭凸部5と負電極3とから構成される複数の光伝導スイッチ素子は、全部で20個x20組=400個存在する(下記のように入射レーザ光の直径が3mmであるため、有効数は300個程度になる)。さらに金電極2、3および光伝導スイッチ素子表面7以外の基板1表面は、800nm帯の光を吸収する不透明ポリマー6が形成されている。この不透明ポリマー6により、散乱光や迷光による誤動作や逆位相の電磁波放射を抑制することができる。   The angle of the tip is desirably an acute angle, and is about 36 degrees in this embodiment. Accordingly, there are a total of 20 × 20 sets = 400 pieces of a plurality of photoconductive switch elements composed of the sharp convex part 5 and the negative electrode 3 (the diameter of the incident laser light is 3 mm as described below. The number is about 300). Further, an opaque polymer 6 that absorbs light in the 800 nm band is formed on the surface of the substrate 1 other than the gold electrodes 2 and 3 and the photoconductive switch element surface 7. The opaque polymer 6 can suppress malfunctions caused by scattered light and stray light and electromagnetic radiation of antiphase.

一方、厚さ500μmの石英基板8上には、樹脂を用いたマイクロレンズ9が、20個x20行形成されている(図1では簡単のため、4個x3行のみ示している)。マイクロレンズ中心の間隔は水平方向、垂直方向ともに150μmである。マイクロレンズが形成された基板8と電極が形成された基板1は、紫外線硬化樹脂により貼合わせてある(図1では説明のため、基板1と基板8は離して描いてある)。各マイクロレンズの形状および位置は、入射フェムト秒レーザ光の焦点が先鋭凸部5の頂点近傍になるように形成されている。   On the other hand, 20 × 20 rows of microlenses 9 made of resin are formed on a quartz substrate 8 having a thickness of 500 μm (in FIG. 1, only 4 × 3 rows are shown for simplicity). The distance between the center of the microlenses is 150 μm in both the horizontal direction and the vertical direction. The substrate 8 on which the microlenses are formed and the substrate 1 on which the electrodes are formed are bonded with an ultraviolet curable resin (in FIG. 1, the substrate 1 and the substrate 8 are drawn separately for the sake of explanation). The shape and position of each microlens are formed so that the focal point of the incident femtosecond laser beam is in the vicinity of the apex of the sharp convex portion 5.

さて、光伝導スイッチ素子が1個しかない従来技術の場合(図16の場合)、フェムト秒レーザ装置(スポット径約1mm)から出射した光を10μm程度まで絞る。したがって、光伝導スイッチ素子における単位面積あたりの入射光量は、フェムト秒レーザ装置から出射した状態より10000倍程度まで高まっている。   Now, in the case of the prior art having only one photoconductive switch element (in the case of FIG. 16), the light emitted from the femtosecond laser device (spot diameter of about 1 mm) is reduced to about 10 μm. Therefore, the amount of incident light per unit area in the photoconductive switch element is increased to about 10,000 times that emitted from the femtosecond laser device.

一方、複数の光伝導スイッチ素子がある本発明では以下のようになる。
(1)フェムト秒レーザ装置からスポット径約1mmで出射したフェムト秒レーザ光10は、予めビームエキスパンダなどにより、光伝導スイッチ素子とほぼ同じ大きさである直径約3mmに拡大される。この拡大により、単位面積あたりの光量が約1/10に低下する。
On the other hand, the present invention having a plurality of photoconductive switch elements is as follows.
(1) The femtosecond laser beam 10 emitted from the femtosecond laser device with a spot diameter of about 1 mm is expanded in advance to a diameter of about 3 mm, which is approximately the same size as the photoconductive switch element, by a beam expander or the like. By this enlargement, the amount of light per unit area is reduced to about 1/10.

(2)図2に示すように、この光は、スポット11として、各マイクロレンズ全面に入射する。例えば、マイクロレンズ12に入射した光は、マイクロレンズの集光作用(13)により、先鋭凸部5の先端付近に、スポット14(直径約10μm)として集光される。この集光作用により、単位面積あたりの光量が約200倍に増加する。   (2) As shown in FIG. 2, this light is incident on the entire surface of each microlens as a spot 11. For example, the light incident on the microlens 12 is collected as a spot 14 (about 10 μm in diameter) near the tip of the sharp convex portion 5 by the condensing action (13) of the microlens. Due to this light condensing action, the amount of light per unit area increases about 200 times.

したがって、(1)(2)トータルとして、光伝導スイッチ素子における単位面積あたりの入射光量は、フェムト秒レーザ装置から出射した状態より、20倍大きくなっている。   Therefore, (1) and (2) as a total, the amount of incident light per unit area in the photoconductive switch element is 20 times larger than that emitted from the femtosecond laser device.

一方、先鋭凸部5近傍の電界は(先鋭な部分がない場合に比べて)10倍程度になり、電子速度も10倍程度に向上させることができる。   On the other hand, the electric field in the vicinity of the sharp convex portion 5 is about 10 times (compared to the case where there is no sharp portion), and the electron velocity can be improved about 10 times.

さて、放射テラヘルツ電界Eは、近似的に
E=Ebσ/[σ+(1+√ε)/η]
で与えられる(例えば、Justin T.Darrow, Xi-Cheng Zhang, David H.Auton, and Jeffrey D.Morse, IEEE Journal of Quantum Electronics vol.28 1607 (1992))。ここで、Ebはバイアス電圧、σは導電率、εは誘電率、ηは真空インピーダンスである。一般のフェムト秒レーザの場合には光量が比較的小さく、σ≪(1+√ε)/ηとおけるので、上式は次式のようになる。
Now, the radiation terahertz electric field E is approximately E = Ebσ / [σ + (1 + √ε) / η]
(For example, Justin T. Darrow, Xi-Cheng Zhang, David H. Auton, and Jeffrey D. Morse, IEEE Journal of Quantum Electronics vol. 28 1607 (1992)). Here, E b is the bias voltage, σ is the conductivity, ε is the dielectric constant, and η is the vacuum impedance. In the case of a general femtosecond laser, the amount of light is relatively small and σ << (1 + √ε) / η, so the above equation becomes as follows.

E=Ebση/(1+√ε)
≒envη/(1+√ε)
E = E b ση / (1 + √ε)
≒ envη / (1 + √ε)

ここでeは電子素量、nは生成キャリア数、vは速度である。   Here, e is the electron elementary quantity, n is the number of generated carriers, and v is the velocity.

以上より、複数の光伝導スイッチ素子のそれぞれから出射されるテラヘルツ波は、光伝導スイッチ素子が1個しかない従来技術(図16)に比べて、一素子あたりの電界強度は、1/50程度(電力では1/2500)にしかならない。   From the above, the terahertz wave emitted from each of the plurality of photoconductive switch elements has an electric field intensity per element of about 1/50 compared to the conventional technique (FIG. 16) having only one photoconductive switch element. (In electricity, it is only 1/2500).

ところが、本発明では光伝導スイッチ素子が有効数300個存在する。その出力は、コヒーレント放射状態では、一素子あたりの放射電力の3002=90000倍になる。したがって、全光スイッチ素子からの出力(電力)は、光伝導スイッチ素子が1個しかない場合に比べて、約35倍に向上させることができる。実験結果では、約30倍の光出力が得られた。 However, the present invention has an effective number of 300 photoconductive switch elements. The output is 300 2 = 90000 times the radiation power per element in the coherent radiation state. Therefore, the output (power) from the all-optical switch element can be improved by about 35 times compared to the case where there is only one photoconductive switch element. As a result of the experiment, an optical output of about 30 times was obtained.

なお、先鋭凸部を形成せず、長方形的な電極凸部の場合、全光スイッチ素子からの出力(電力)は、光伝導スイッチ素子が1個しかない場合に比べて、約0.4倍程度にしかならなかった。この結果より、本発明のように先鋭凸部を正電極に形成し、そこにマイクロレンズからの入射光を集光させることが有効とわかる。   In the case of a rectangular electrode convex part without forming a sharp convex part, the output (power) from the all-optical switch element is about 0.4 times that in the case where there is only one photoconductive switch element. It was only about. From this result, it can be seen that it is effective to form a sharp convex portion on the positive electrode as in the present invention, and to collect the incident light from the microlens there.

また、図3に示すように、半絶縁性GaAsのテラヘルツ波放射側に高抵抗Siレンズ15をつける。これにより、半絶縁性GaAs基板1のテラヘルツ波放射面内部で生じる全反射に防止することができる。全反射に起因していた損失を、Siレンズにより抑制することができ、高出力化を得ることが可能となった。   Further, as shown in FIG. 3, a high resistance Si lens 15 is attached to the terahertz wave radiation side of semi-insulating GaAs. Thereby, it is possible to prevent total reflection occurring inside the terahertz wave radiation surface of the semi-insulating GaAs substrate 1. Loss caused by total reflection can be suppressed by the Si lens, and high output can be obtained.

(第2の実施形態)
図4は、第2の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。また、図5は、第2の実施形態における電磁波発生装置の他の構成を示す斜視図である。図4および図5は、図1と比較して、石英基板8が複数のマイクロレンズ12を有する代わりに垂直方向または水平方向の複数のシリンドリカルレンズ20、21を有する点が異なっている。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the electromagnetic wave generator in the second embodiment. FIG. 5 is a perspective view showing another configuration of the electromagnetic wave generator in the second embodiment. 4 and 5 differ from FIG. 1 in that the quartz substrate 8 has a plurality of cylindrical lenses 20 and 21 in the vertical direction or the horizontal direction instead of having the plurality of microlenses 12.

シリンドリカルレンズ20、21は一方向しか集光しないため、第1の実施形態に比べて、集光性が弱いが、作製方法が容易であり、製造マージンを拡大することができる。   Since the cylindrical lenses 20 and 21 collect light only in one direction, the light collecting property is weak compared to the first embodiment, but the manufacturing method is easy and the manufacturing margin can be expanded.

(第3の実施形態)
図6は、第3の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。図6は、図1と比較して、石英基板8の代わりに複数のマイクロレンズ23を有する代わりに垂直方向または水平方向のシリンドリカルレンズ20、21を有する点が異なっている。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a perspective view showing the configuration of the electromagnetic wave generator in the third embodiment. 6 differs from FIG. 1 in that it has vertical or horizontal cylindrical lenses 20, 21 instead of having a plurality of microlenses 23 instead of the quartz substrate 8.

マイクロレンズ23は、電極を形成した基板1に直接形成されている(所謂、オンチップレンズ)。これにより、本装置の小型化を図ることができる。このようなオンチップレンズ化は他の実施形態の場合にも適用することができる。   The microlens 23 is directly formed on the substrate 1 on which the electrodes are formed (so-called on-chip lens). Thereby, size reduction of this apparatus can be achieved. Such an on-chip lens can be applied to other embodiments.

(第4の実施形態)
図7Aは、本発明の第4の実施形態を先鋭凸部5の配置を示す図である。ただし、図7Aでは遮光層は省略されている。また図7Cは第4の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。図7Aは、実施の形態1の図1と比較して、先鋭凸部5が行列状に配置され、かつ各行の先鋭凸部5が隣接する行に対して、または各列の先鋭凸部5が隣接する列に対して、半ピッチずれて配置される点が異なる。
(Fourth embodiment)
FIG. 7A is a diagram showing the arrangement of the sharpened protrusions 5 in the fourth embodiment of the present invention. However, the light shielding layer is omitted in FIG. 7A. Moreover, FIG. 7C is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in 4th Embodiment. In FIG. 7A, compared with FIG. 1 of the first embodiment, the sharp convex portions 5 are arranged in a matrix and the sharp convex portions 5 of each row are adjacent to the adjacent rows, or the sharp convex portions 5 of each column. Are different from each other in that they are arranged with a half-pitch shift.

先鋭凸部を有する正電極2と負電極3が基板1上に形成されている(簡単のため、3組のみ描いている)。Pは先鋭凸部配置の行方向のピッチである。またi=1、2、3・・・である。奇数行目((2i-1)行目、(2i+1)行目)の先鋭凸部配置と、偶数行目(2i行目)の先鋭凸部配置は、水平方向にP/2だけ異なっている。このように、先鋭凸部が奇数行電極と偶数行電極で半ピッチだけずれている場合、それらに対応するマイクロレンズ33も奇数行目と偶数行目で半ピッチずれる。   A positive electrode 2 and a negative electrode 3 having sharp projections are formed on the substrate 1 (only three sets are drawn for simplicity). P is the pitch in the row direction of the sharp convex arrangement. I = 1, 2, 3,... The arrangement of the sharp projections on the odd lines ((2i-1), (2i + 1) lines) and the arrangement of the sharp projections on the even lines (2i) differ by P / 2 in the horizontal direction. ing. As described above, when the sharp convex portions are shifted by a half pitch between the odd-numbered row electrode and the even-numbered row electrode, the corresponding microlenses 33 are also shifted by a half pitch between the odd-numbered row and the even-numbered row.

さて、入射光を効率的に使用するには、マイクロレンズをできるだけ大きくし、マイクロレンズ間領域は小さいほうが望ましい(隣あうマイクロレンズの間の領域(たとえば領域34)に入射した光はマイクロレンズによる集光に寄与しない)。ところで、後述のように、マイクロレンズは樹脂を溶かすことで形成することが多いため、隣り合うマイクロレンズが接してはいけない(隣り合うマイクロレンズが接すると、製造工程で隣り合うマイクロレンズ同士が合体し、ひとつの大きなレンズになってしまう)。このためマイクロレンズの最大半径は、マイクロレンズ最外周が接する場合の半径とほぼ等しいと考えてよい。図7Aの場合、マイクロレンズ間領域の面積が照射領域全体に占める比率は、約9%になる。   In order to use incident light efficiently, it is desirable that the microlens is made as large as possible and the area between the microlenses is small (the light incident on the area between adjacent microlenses (for example, the area 34) is caused by the microlens. Does not contribute to light collection). By the way, as will be described later, since microlenses are often formed by melting resin, adjacent microlenses should not come into contact (if adjacent microlenses come into contact, adjacent microlenses are combined in the manufacturing process. And it becomes one big lens). For this reason, it can be considered that the maximum radius of the microlens is almost equal to the radius when the outermost periphery of the microlens contacts. In the case of FIG. 7A, the ratio of the area of the microlens area to the entire irradiation area is about 9%.

一方、図7Bのように先鋭凸部が奇数行電極と偶数行電極でずらさない場合、マイクロレンズ35も奇数行目と偶数行目でずれない。上記同様、隣あうマイクロレンズの間の領域(たとえば領域36)に入射した光はマイクロレンズによる集光に寄与せず、無効である。この配置において、マイクロレンズの半径をほぼ許容最大にした場合、マイクロレンズ間領域の面積(領域36のように、マイクロレンズによる集光が無い領域)が照射領域全体に占める比率は、約22%になる。すなわち、図7Aの場合に比べ、入射光が無効となる領域が3倍に増える。   On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the sharp convex portion is not shifted between the odd-numbered row electrode and the even-numbered row electrode, the microlens 35 is not shifted between the odd-numbered row and the even-numbered row. Similarly to the above, the light incident on the area (for example, the area 36) between the adjacent microlenses does not contribute to the light collection by the microlens and is invalid. In this arrangement, when the radius of the microlens is set to the maximum allowable value, the ratio of the area of the inter-microlens area (area such as the area 36 where light is not condensed by the microlens) to the entire irradiation area is approximately 22%. become. That is, as compared with the case of FIG. 7A, the area where the incident light is invalid increases three times.

したがって、先鋭凸部5が奇数行電極と偶数行電極で半ピッチずらす構造にすることにより、無効な光を低減させることができ、高効率動作が可能になる。   Therefore, by using a structure in which the sharp convex portion 5 is shifted by a half pitch between the odd-numbered row electrode and the even-numbered row electrode, invalid light can be reduced and high-efficiency operation becomes possible.

なお、図7Bの場合、先鋭凸部の水平・垂直方向のピッチは共にPであるが、図7Bの場合、水平周期がPに対し、垂直周期は0.87Pと僅かに小さくなるが、出力特性に対する影響は僅かである。   In the case of FIG. 7B, the horizontal and vertical pitches of the sharp protrusions are both P, but in the case of FIG. 7B, the horizontal period is slightly smaller than P with respect to P, but the vertical period is slightly smaller than 0.87P. The effect on properties is negligible.

(第5の実施形態)
図8は第5の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。ただし、石英基板8は省略してある。同図は、図1と比較して、SiO2保護膜24が追加されている点が異なっている。SiO2保護膜24は、電極部分も電極間も覆うように形成されている。電極部分も、SiO2保護膜24で覆われているので、強い電界による空気放電を防ぐことができる。マイクロレンズはこの保護膜上に直接形成してもよい。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the electromagnetic wave generator in the fifth embodiment. However, the quartz substrate 8 is omitted. This figure is different from FIG. 1 in that a SiO 2 protective film 24 is added. The SiO2 protective film 24 is formed so as to cover both electrode portions and electrodes. Since the electrode portion is also covered with the SiO 2 protective film 24, air discharge due to a strong electric field can be prevented. The microlens may be formed directly on this protective film.

(第6の実施形態)
図9は第6の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図1と比較して、高反射膜25が追加されている点が異なっている。
(Sixth embodiment)
FIG. 9 is a perspective view showing the configuration of the electromagnetic wave generator in the sixth embodiment. This figure is different from FIG. 1 in that a highly reflective film 25 is added.

半絶縁性GaAs基板1、電極2、3は、先鋭凸部5近傍を除き、入射フェムト秒レーザ光を反射する高反射膜25(TiO2/SiO2多層膜)で覆われている。例えば、マイクロレンズ12から入射された光は先鋭凸部近傍にスポット14を形成していても、図のように回転ずれ(θずれ)があるような場合、例えばマイクロレンズ26を通過し集光された光は、先鋭凸部から離れた位置にスポット27を形成する。ところが、スポット27は高反射膜25上であるため、強い反射光が発生する。そこで反射光により基板1と基板8の位置ずれをチェックすることができ、製造が容易になる。   The semi-insulating GaAs substrate 1 and the electrodes 2 and 3 are covered with a highly reflective film 25 (TiO2 / SiO2 multilayer film) that reflects incident femtosecond laser light except for the vicinity of the sharp convex part 5. For example, even if the light incident from the microlens 12 forms a spot 14 in the vicinity of the sharp convex portion, if there is a rotational deviation (θ deviation) as shown in the figure, it passes through the microlens 26 and is condensed, for example. The emitted light forms a spot 27 at a position away from the sharp convex portion. However, since the spot 27 is on the highly reflective film 25, strong reflected light is generated. Therefore, the positional deviation between the substrate 1 and the substrate 8 can be checked by the reflected light, and the manufacture becomes easy.

次に、マイクロレンズの製造方法について説明する。
図10A、図10Bは、マイクロレンズの製造方法を示す。基板30(ガラス基板8または電極を形成した半絶縁性GaAs基板1)にフォトリソグラフィを用いて(上面からみて正方形の)樹脂31を形成する(図10A)。次に約150℃、1時間の熱アニールを行うと、樹脂が軟化し表面張力により図10Bのように半球形状となりマイクロレンズ32が完成する。なお、図10Aにおいて、上面からみて長方形の樹脂31を形成すればシリンドリカルレンズを得ることができる。
Next, a method for manufacturing a microlens will be described.
10A and 10B show a method for manufacturing a microlens. Resin 31 (square when viewed from above) is formed on substrate 30 (glass substrate 8 or semi-insulating GaAs substrate 1 on which an electrode is formed) using photolithography (FIG. 10A). Next, when thermal annealing is performed at about 150 ° C. for 1 hour, the resin softens and becomes hemispherical as shown in FIG. In FIG. 10A, a cylindrical lens can be obtained by forming a rectangular resin 31 as viewed from above.

(第7の実施形態)
図11は第7の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図1と比較して、石英基板8の代わりにガラス基板41を有する点と、電極2が先鋭凸5を有していない点が異なっている。図12は、動作説明図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of the electromagnetic wave generator in the seventh embodiment. 1 is different from FIG. 1 in that a glass substrate 41 is provided instead of the quartz substrate 8 and that the electrode 2 does not have a sharp projection 5. FIG. 12 is an explanatory diagram of the operation.

厚さ350μmの半絶縁性GaAs基板1に幅10μm、間隔100μmの金電極2(2a, 2b, 2c)、3(3a, 3b, 3c)が形成されている。この電極2、3は、図11の上下方向にピッチ150μmで20組存在する(図1では簡単のため、3組のみ示している)。電極2、3は電圧源4に接続されており、電極2が正電位、電極3が負電位になるように配線されている。電圧源4は一定電圧でもよいし、また、入射フェムト秒レーザ光と同期したパルス電圧を供給してもよい。   Gold electrodes 2 (2a, 2b, 2c) and 3 (3a, 3b, 3c) having a width of 10 μm and an interval of 100 μm are formed on a semi-insulating GaAs substrate 1 having a thickness of 350 μm. There are 20 sets of the electrodes 2 and 3 at a pitch of 150 μm in the vertical direction of FIG. 11 (only three sets are shown in FIG. 1 for simplicity). The electrodes 2 and 3 are connected to a voltage source 4 and are wired so that the electrode 2 has a positive potential and the electrode 3 has a negative potential. The voltage source 4 may be a constant voltage, or may supply a pulse voltage synchronized with the incident femtosecond laser beam.

厚さ1mmのガラス基板41(屈折率1.5)の表面には溝(凸部42、凹部43)が形成されている。溝ピッチは300μm、溝深さ(凸部と凹部の高低差)は600μmとした。これらの値は、ピッチ:150〜300μm、深さ300〜600μmでも以下に示すことと同様な結果を得ることができる。   Grooves (projections 42 and recesses 43) are formed on the surface of a glass substrate 41 (refractive index 1.5) having a thickness of 1 mm. The groove pitch was 300 μm, and the groove depth (height difference between the convex part and the concave part) was 600 μm. With these values, the same results as shown below can be obtained even when the pitch is 150 to 300 μm and the depth is 300 to 600 μm.

さて、正電極2および負電極3により、基板1には電界が発生するが、その方向は1行ごとに180度異なる。すなわち、図12において、
電極2a,3aによって下向きの電界44a
電極3a,2bによって上向きの電界45a
電極2b,3bによって下向きの電界44b
(以下同様)
が発生する。
Now, an electric field is generated in the substrate 1 by the positive electrode 2 and the negative electrode 3, but the direction differs by 180 degrees for each row. That is, in FIG.
A downward electric field 44a is generated by the electrodes 2a and 3a.
An upward electric field 45a is formed by the electrodes 3a and 2b.
A downward electric field 44b is generated by the electrodes 2b and 3b.
(The same applies hereinafter)
Will occur.

一方、入射フェムト秒レーザ46は、溝のついたガラス基板41により、凸部と凹部で時間遅延が発生する。凸部を通過する光は、凹部を通過する光より、(溝深さ)x(ガラス屈折率−空気屈折率)だけ光学長が長くなる。本実施形態では、600μmx(1.5-1)=300μmの光学長差があり、これは、1psecの時間遅延に相当する。図12でわかるように、凹部を通過する光は上向きの電界45(45a, 45b ,・・・)を受け、THz波47(47a, 47b, ・・・)を発生させる。一方、凸部を通過する光は、1psec遅れて下向きの電界44(44a, 44b ,・・・)を受け、THz波48(48a, 48b, ・・・)を発生させる。THz波の有効なパルス幅は一般に1psec未満であるので、THz波47、THz波48はお互いに干渉しあうことはない。すなわち、電界45、44の向きが逆であっても、そこから発生するTHz波が打ち消しあうことはなく、全THz出力(THz波47+THz波48)を高めることができる。また、本素子では、(印加電界方向が逆でも)チップ表面に遮光を必要とする領域がなく、外部から電界印加されたすべての光伝導スイッチ素子を用いることができ、(出力に寄与しない)不要領域が無い。つまりコストパフォーマンスの高い素子を実現することができる。   On the other hand, in the incident femtosecond laser 46, a time delay occurs between the convex portion and the concave portion due to the glass substrate 41 with the groove. The light passing through the convex part has a longer optical length by (groove depth) x (glass refractive index-air refractive index) than the light passing through the concave part. In the present embodiment, there is an optical length difference of 600 μm × (1.5−1) = 300 μm, which corresponds to a time delay of 1 psec. As can be seen in FIG. 12, the light passing through the recesses receives an upward electric field 45 (45a, 45b,...) And generates THz waves 47 (47a, 47b,...). On the other hand, the light passing through the convex portion receives a downward electric field 44 (44a, 44b,...) With a delay of 1 psec, and generates THz waves 48 (48a, 48b,...). Since the effective pulse width of the THz wave is generally less than 1 psec, the THz wave 47 and the THz wave 48 do not interfere with each other. That is, even if the directions of the electric fields 45 and 44 are reversed, THz waves generated therefrom do not cancel each other, and the total THz output (THZ wave 47 + THZ wave 48) can be increased. In addition, in this element, there is no region that needs to be shielded on the chip surface (even if the applied electric field direction is reversed), and all photoconductive switch elements to which an electric field is applied from the outside can be used (does not contribute to output). There is no unnecessary area. That is, an element with high cost performance can be realized.

なお、凸部と凹部を通過する二つの光の時間遅延量によって、THz波47+THz波48から構成される全THz波のスペクトルを、狭帯域化、もしくは、不要な周波数のカットを実現することができる。これにより、所望の周波数のみに出射THzエネルギーを集めることができ、分析応用には有用である。たとえば、溝42、43が形成されたガラス基板41は取り外し式にしておき、複数用意しておく。それらの溝の深さは相異なることにしておくことにより、基板41を交換することで、異なる時間遅延量を付加することが可能になる。   Note that the spectrum of all THz waves composed of THz waves 47 + THz waves 48 can be narrowed, or unnecessary frequency cuts can be realized by the amount of time delay of the two lights passing through the convex and concave portions. it can. Thus, the output THz energy can be collected only at a desired frequency, which is useful for analytical applications. For example, the glass substrate 41 in which the grooves 42 and 43 are formed is detachable and a plurality of glass substrates 41 are prepared. By making the depths of these grooves different from each other, it is possible to add different time delay amounts by exchanging the substrate 41.

(第8の実施形態)
図13は第8の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図11と比較して、ガラス基板41の凸部および凹部に形状がシリンドリカルレンズ形状である点が異なっている。
(Eighth embodiment)
FIG. 13 is a perspective view showing the configuration of the electromagnetic wave generator in the eighth embodiment. The figure differs from FIG. 11 in that the convex and concave portions of the glass substrate 41 are cylindrical lenses.

ガラス基板41の溝(42、43)の表面に微小シリンドリカルレンズの集光素子を形成している。この微小シリンドリカルレンズによって、入射レーザ光10(スポットは拡大され11のようになっている)は、例えば、光線13にように集光され、細長いスポット14のようになる。これにより、光伝導スイッチ素子の入射領域のみに、入射レーザ光10を集光することができ、効率的な動作をさせることができる。   A condensing element of a micro cylindrical lens is formed on the surface of the groove (42, 43) of the glass substrate 41. By this micro cylindrical lens, the incident laser beam 10 (spot is enlarged and looks like 11) is condensed like a light beam 13 and becomes like an elongated spot 14, for example. Thereby, the incident laser beam 10 can be condensed only in the incident region of the photoconductive switch element, and an efficient operation can be performed.

(第9の実施形態)
図14は第9の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図11と比較して、ガラス基板41の凸部および凹部の上にマイクロレンズが形成されている点と、電極2の形状とが異なっている。
(Ninth embodiment)
FIG. 14 is a perspective view showing the configuration of the electromagnetic wave generator in the ninth embodiment. The figure differs from FIG. 11 in that the microlens is formed on the convex and concave portions of the glass substrate 41 and the shape of the electrode 2.

正電極2には、先鋭凸部5が上下両側に設けてある(負電極に対向する両辺にある)。また、ガラス基板41の溝(42、43)には、マイクロレンズ9が形成されており、先鋭凸部5に入射光が集光されている。前述のように、先鋭凸部を設け、そこに光を集中することにより、出射テラヘルツ波を更に強めることができる。   The positive electrode 2 is provided with sharp convex portions 5 on both upper and lower sides (on both sides facing the negative electrode). In addition, microlenses 9 are formed in the grooves (42, 43) of the glass substrate 41, and incident light is collected on the sharp convex portion 5. As described above, the outgoing terahertz wave can be further strengthened by providing the sharp convex portion and concentrating the light there.

(第10の実施形態)
図15は第10の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図11と比較して、ガラス基板41の裏面にマイクロレンズ49が形成されている点が異なっている。
(Tenth embodiment)
FIG. 15 is a perspective view showing the configuration of the electromagnetic wave generator in the tenth embodiment. This figure differs from FIG. 11 in that a microlens 49 is formed on the back surface of the glass substrate 41.

ガラス基板41裏面は(溝がなく)平面であるので、より容易にマイクロレンズを形成することができる。なお、第8の実施形態でシリンドリカルレンズを溝の表面に形成したが、第10の実施形態と同様に、基板の裏面にシリンドリカルレンズを形成しても同じ効果が得られることは言うまでも無い。   Since the back surface of the glass substrate 41 is a flat surface (without a groove), a microlens can be formed more easily. Although the cylindrical lens is formed on the surface of the groove in the eighth embodiment, it is needless to say that the same effect can be obtained even if the cylindrical lens is formed on the back surface of the substrate as in the tenth embodiment. .

以上の実施形態において、集光素子、遅延段差を集積した基板と電磁波発生基板を別体で述べたが、第3の実施形態のように、すべてをひとつの基板に集積してもよい。   In the above embodiment, the condensing element, the substrate on which the delay steps are integrated, and the electromagnetic wave generation substrate are described separately. However, as in the third embodiment, all may be integrated on one substrate.

本発明を用いると、高出力な電磁波発生装置を実現することができる。非破壊測定、医療、バイオ、農業、食品、環境などの分野での利用が大きく期待できる。   By using the present invention, a high-output electromagnetic wave generator can be realized. Use in fields such as non-destructive measurement, medicine, biotechnology, agriculture, food, and the environment can be greatly expected.

本発明の第1の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in the 1st Embodiment of this invention. 第1の実施形態における電磁波発生装置の集光状態を示す図である。It is a figure which shows the condensing state of the electromagnetic wave generator in 1st Embodiment. 電磁波発生装置の構成を示す詳細図である。It is detail drawing which shows the structure of an electromagnetic wave generator. 第2の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in 2nd Embodiment. 電磁波発生装置の他の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the other structure of an electromagnetic wave generator. 第3の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in 3rd Embodiment. 第4の実施形態における先鋭凸部5の配置を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of the sharp convex part 5 in 4th Embodiment. 先鋭部凸5の他の配置を示す図である。It is a figure which shows other arrangement | positioning of the sharp part convex 5. 電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of an electromagnetic wave generator. 第5の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in 5th Embodiment. 第6の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in 6th Embodiment. マイクロレンズの製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of a micro lens. マイクロレンズの製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of a micro lens. 第7の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in 7th Embodiment. 電磁波発生装置の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of an electromagnetic wave generator. 第8の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in 8th Embodiment. 第9の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in 9th Embodiment. 第10の実施形態における斜視図である。It is a perspective view in 10th Embodiment. 従来技術における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator in a prior art. 従来技術におけるアレイ化した電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator arrayed in the prior art. 従来技術におけるアレイ化した電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the electromagnetic wave generator arrayed in the prior art.

符号の説明Explanation of symbols

1 半絶縁性GaAs基板
2、2a、2b 電極
3、3a、3b 電極
4 電圧源
5 先鋭凸部
6 不透明ポリマー
7 光伝導スイッチ素子表面
8 石英基板
9、23、26、32 マイクロレンズ
10、12 フェムト秒レーザ光
11、14 スポット
13 集光作用
15 高抵抗Siレンズ
20、21 シリンドリカルレンズ
24 SiO2保護膜
25 高反射膜
30 基板
31 樹脂
33、35マイクロレンズの最大外周
34、36マイクロレンズによる集光が成されない領域
41 ガラス基板
42、42a、42b ガラス基板凸部
43、43a、43b ガラス基板凹部
44、45 電界
46 入射フェムト秒レーザ光
47、48 出射テラヘルツ光
49裏面マイクロレンズ
101、107、120 半絶縁性GaAs基板
102、103、108、109、121、122 金電極
102A、103A、108A〜E、109A〜E 電極凸部
104、110 電圧源
105、111、125 フェムト秒レーザ光
106、112、126 スポット
124 不透明膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semi-insulating GaAs substrate 2, 2a, 2b Electrode 3, 3a, 3b Electrode 4 Voltage source 5 Sharp convex part 6 Opaque polymer 7 Photoconductive switch element surface 8 Quartz substrate 9, 23, 26, 32 Micro lens 10, 12 Femto Second laser beam 11, 14 Spot 13 Condensing action 15 High resistance Si lens 20, 21 Cylindrical lens 24 SiO2 protective film 25 High reflection film 30 Substrate 31 Resin 33, 35 Micro lens maximum outer periphery 34, 36 Micro lens condensing Non-formed region 41 Glass substrate 42, 42a, 42b Glass substrate convex portion 43, 43a, 43b Glass substrate concave portion 44, 45 Electric field 46 Incident femtosecond laser light 47, 48 Emitted terahertz light 49 Back microlens 101, 107, 120 Semi-insulating GaAs substrate 102, 103, 10 , 109,121,122 gold electrodes 102A, 103A, 108A~E, 109A~E electrode protrusions 104, 110 voltage source 105,111,125 femtosecond laser pulses 106,112,126 spot 124 opaque film

Claims (20)

照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた略帯状の第1電極と、
前記半導体基板に、第1電極に並行する帯状の第2電極と
を備え、
前記第1電極は前記第2電極に向けて突出する先鋭部を有し、
前記先鋭部は90度未満の鋭角をもつ
ことを特徴とする電磁波発生装置。
An electromagnetic wave generator for generating an electromagnetic wave based on irradiated light,
A semiconductor substrate;
A substantially strip-shaped first electrode provided on the semiconductor substrate;
The semiconductor substrate includes a strip-shaped second electrode parallel to the first electrode,
The first electrode has a sharpened portion protruding toward the second electrode,
The sharpened portion has an acute angle of less than 90 degrees.
前記第1電極は、所定間隔で配置された複数の先鋭部を有し、
前記電磁波発生装置は、さらに、
先鋭部の先端を含む複数の領域に複数の集光スポットを形成する光学素子を備える
ことを特徴とする請求項1記載の電磁波発生装置。
The first electrode has a plurality of sharpened portions arranged at predetermined intervals,
The electromagnetic wave generator further includes:
The electromagnetic wave generator according to claim 1, further comprising an optical element that forms a plurality of focused spots in a plurality of regions including the tip of the sharpened portion.
照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた略帯状の複数の第1電極と、
前記半導体基板に、第1電極に並行して交互に設けられた、帯状の複数の第2電極と、
集光素子と
を備え、
前記第1電極の各々は前記第2電極に向けて突出する複数の先鋭部を有し、
前記先鋭部は90度未満の鋭角をもち、
前記集光素子は、先鋭部の先端を含む複数の領域に複数の集光スポットを照射する
ことを特徴とする電磁波発生装置。
An electromagnetic wave generator for generating an electromagnetic wave based on irradiated light,
A semiconductor substrate;
A plurality of substantially strip-shaped first electrodes provided on the semiconductor substrate;
A plurality of strip-shaped second electrodes provided alternately to the semiconductor substrate in parallel with the first electrodes;
A light collecting element,
Each of the first electrodes has a plurality of sharpened portions protruding toward the second electrode,
The pointed portion has an acute angle of less than 90 degrees;
The electromagnetic wave generating device, wherein the condensing element irradiates a plurality of condensing spots on a plurality of regions including a tip of a sharpened portion.
前記複数の第1電極は正電極であることを特徴とする請求項3記載の電磁波発生装置。   The electromagnetic wave generator according to claim 3, wherein the plurality of first electrodes are positive electrodes. 前記複数の第1電極は、同じ向きの長手方向の一辺に前記複数の先鋭部を有し、
先鋭部の先端を含む領域のそれぞれは光伝導スイッチを構成する
ことを特徴とする請求項3記載の電磁波発生装置。
The plurality of first electrodes have the plurality of sharpened portions on one side in the longitudinal direction in the same direction,
Each of the area | regions containing the front-end | tip of a sharp part comprises a photoconductive switch. The electromagnetic wave generator of Claim 3 characterized by the above-mentioned.
前記電磁波発生装置は、さらに、
前記複数の集光スポット以外の領域に、光を低減させる膜が形成されている
ことを特徴とする請求項3記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generator further includes:
The electromagnetic wave generator according to claim 3, wherein a film for reducing light is formed in a region other than the plurality of focused spots.
前記光を低減させる膜は、光を反射する機能を有する
ことを特徴とする請求項6記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generator according to claim 6, wherein the film that reduces light has a function of reflecting light.
前記先鋭部の表面には保護膜を有する
ことを特徴とする請求項3記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generator according to claim 3, further comprising a protective film on a surface of the sharpened portion.
前記複数の先鋭部は二次元状に配置されている
ことを特徴とする請求項3記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generator according to claim 3, wherein the plurality of sharpened portions are two-dimensionally arranged.
前記複数の先鋭部は行列状に配置され、
各行が隣接する行に対して、または各列が隣接する列に対して、半ピッチずれて配置される
ことを特徴とする請求項7記載の電磁波発生装置。
The plurality of sharpened portions are arranged in a matrix;
The electromagnetic wave generator according to claim 7, wherein each row is arranged with a half pitch shift with respect to an adjacent row or each column with respect to an adjacent column.
前記集光素子は、複数のシリンドリカル形状を有する
ことを特徴とした請求項3記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generating device according to claim 3, wherein the light collecting element has a plurality of cylindrical shapes.
前記電磁波の主波長をλ、前記半導体基板の屈折率をnとするとき、前記先鋭部の間隔はλ/2nに相当する
ことを特徴とした請求項3記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generator according to claim 3, wherein the interval between the sharpened portions corresponds to λ / 2n, where λ is the main wavelength of the electromagnetic wave and n is the refractive index of the semiconductor substrate.
前記複数の第1電極は、長手方向の両辺に前記複数の先鋭部を有し、
先鋭部の先端を含む領域のそれぞれは光伝導スイッチを構成し、
前記電磁波発生装置は、さらに、
前記各1電極の長手方向の第1の辺に対応する第1光伝導スイッチ群と、前記各第1電極の長手方向の第2の辺に対応する第2光伝導スイッチ群との間で、照射光に時間遅延を与える時間遅延素子を備える
ことを特徴とする請求項3記載の電磁波発生装置。
The plurality of first electrodes have the plurality of sharpened portions on both sides in the longitudinal direction,
Each of the regions including the tip of the sharp point constitutes a photoconductive switch,
The electromagnetic wave generator further includes:
Between the first photoconductive switch group corresponding to the first side in the longitudinal direction of each one electrode and the second photoconductive switch group corresponding to the second side in the longitudinal direction of each first electrode, The electromagnetic wave generator according to claim 3, further comprising a time delay element that gives a time delay to the irradiation light.
前記時間遅延素子は、光透過材料により形成され、第1光伝導スイッチ群および第2光伝導スイッチ群に対応する凹凸を有する
ことを特徴とする請求項13記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generator according to claim 13, wherein the time delay element is formed of a light transmitting material and has irregularities corresponding to the first photoconductive switch group and the second photoconductive switch group.
前記電磁波発生装置は、前記凹凸の高低差が異なる少なくとも2つの前記時間遅延素子を交換可能である
ことを特徴とする請求項14記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generation device according to claim 14, wherein the electromagnetic wave generation device is capable of exchanging at least two time delay elements having different height differences of the unevenness.
前記電磁波発生装置は、
前記凹凸の凸部および凹部に前記集光素子を備える
ことを特徴とした請求項13項記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generator is
The electromagnetic wave generating device according to claim 13, wherein the light condensing element is provided in the convex and concave portions of the unevenness.
前記時間遅延素子は、凹凸を有しない面に前記集光素子を有する
ことを特徴とした請求項13項記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generator according to claim 13, wherein the time delay element has the light condensing element on a surface having no unevenness.
前記時間遅延素子は前記半導体基板上に形成される
ことを特徴とした請求項13項記載の電磁波発生装置。
The electromagnetic wave generator according to claim 13, wherein the time delay element is formed on the semiconductor substrate.
照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた帯状の複数の第1電極と、
前記半導体基板に、第1電極に並行して交互に設けられた、帯状の複数の第2電極と
を備え、
前記第1電極と第2電極間に挟まれた領域は複数の光伝導スイッチを構成し、
前記電磁波発生装置は、さらに、
前記各1電極の長手方向の第1の辺に対応する第1光伝導スイッチ群と、前記各第1電極の長手方向の第2の辺に対応する第2光伝導スイッチ群との間で、照射光に時間遅延を与える時間遅延素子を備える
ことを特徴とする電磁波発生装置。
An electromagnetic wave generator for generating an electromagnetic wave based on irradiated light,
A semiconductor substrate;
A plurality of strip-shaped first electrodes provided on the semiconductor substrate;
A plurality of strip-shaped second electrodes provided alternately in parallel with the first electrode on the semiconductor substrate;
The region sandwiched between the first electrode and the second electrode constitutes a plurality of photoconductive switches,
The electromagnetic wave generator further includes:
Between the first photoconductive switch group corresponding to the first side in the longitudinal direction of each one electrode and the second photoconductive switch group corresponding to the second side in the longitudinal direction of each first electrode, An electromagnetic wave generator comprising a time delay element that gives a time delay to irradiation light.
請求項3記載の電磁波発生装置の製造方法であって、
基板上に樹脂を形成し、
前記樹脂を熱処理することにより集光素子を形成する
ことを特徴とする電磁波発生装置の製造方法。
A method for producing an electromagnetic wave generator according to claim 3,
Forming resin on the substrate,
A condensing element is formed by heat-treating the resin. A method for manufacturing an electromagnetic wave generating device.
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