JP2009216540A

JP2009216540A - 光検出器

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Publication number: JP2009216540A
Application number: JP2008060581A
Authority: JP
Inventors: Tomotake Yamashita; 友勇山下; Motonori Imamura; 元規今村; Hideshi Kato; 英志加藤
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP5119012B2

Abstract

【課題】光の検出効率を向上させる。
【解決手段】光検出器１は、凸面１０ａおよび平面１０ｂを有し、検出対象光Ｌ１を凸面１０ａに受ける凸レンズ１０と、凸レンズ１０の平面１０ｂ上に配置され、凸レンズ１０を透過した検出対象光Ｌ１を透過させる基板１２と、基板１２上に配置され、平面１０ｂから見て、凸面１０ａとは反対側に配置された光伝導膜１４と、光伝導膜１４上に配置され、所定の間隔ｄだけ離れた二つの導電膜１６ａ、１６ｂと、平面１０ｂから見て光伝導膜１４と同じ側に配置され、凸レンズ１０を透過した検出対象光Ｌ１を反射する反射部１８と、を備え、サンプリング光Ｌ２が、平面１０ｂから見て凸レンズ１０とは反対側から入射され、二つの導電膜１６ａ、１６ｂの間の電極ギャップ１７に、検出対象光Ｌ１およびサンプリング光Ｌ２が入射される。
【選択図】図５

Description

本発明は、テラヘルツ光の検出に関する。

従来より、テラヘルツ光を検出する素子が知られている（例えば、特許文献１の図６、図１４を参照）。この素子は、導電膜間の間隙（ギャップ）に、テラヘルツパルス光およびフェムト秒パルスレーザー光を照射し、発生した電流を検出するものである。なお、テラヘルツパルス光はレンズにより集束され、導電膜間の間隙に導かれる。

特開２００２−２２３０１７号公報

しかしながら、テラヘルツパルス光をレンズにより集束する場合、テラヘルツパルス光の一部が導電膜間の間隙（例えば、直径数十μm程度の領域）に照射されないことがある。これにより、テラヘルツ光の検出効率が悪くなる。

そこで、本発明は、光の検出効率を向上させることを課題とする。

本発明にかかる光検出器は、凸面および平面を有し、検出対象光を前記凸面に受ける凸レンズと、前記平面から見て、前記凸面とは反対側に配置された光伝導膜と、前記光伝導膜上に配置され、所定の間隔離れた二つの導電膜と、前記平面から見て前記光伝導膜と同じ側に配置され、前記凸レンズを透過した前記検出対象光を反射する反射部と、を備えるように構成される。

上記のように構成された光検出器によれば、凸レンズは、凸面および平面を有し、検出対象光を前記凸面に受ける。光伝導膜は、前記平面から見て、前記凸面とは反対側に配置されている。二つの導電膜は、前記光伝導膜上に配置され、所定の間隔離れている。反射部は、前記平面から見て前記光伝導膜と同じ側に配置され、前記凸レンズを透過した前記検出対象光を反射する。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記反射部が、前記凸面とは反対方向に凸であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記凸レンズの前記平面上に配置され、前記凸レンズを透過した前記検出対象光を透過させる基板を備え、前記光伝導膜が、前記基板上に配置されているようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、サンプリング光が、前記平面から見て前記凸レンズとは反対側から入射され、前記二つの導電膜の間に、前記検出対象光および前記サンプリング光が入射されるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記反射部が、前記サンプリング光を透過させるものであるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記反射部の内側に、前記検出対象光および前記サンプリング光を透過させる光透過材を備えるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記反射部が、前記サンプリング光の光路と交差する部分に孔を有するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記反射部の内側に、前記検出対象光を前記サンプリング光よりもよく透過させる検出対象光透過材を備え、前記検出対象光透過材は、前記サンプリング光の光路に沿って空洞を有するようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記反射部の内側が中空であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記二つの導電膜の間に流れる電流を検出する電流検出部を備えるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記検出対象光がテラヘルツ光であり、前記サンプリング光がフェムト秒パルス光であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光検出器は、前記反射部が、球面反射鏡または放物面反射鏡であるようにしてもよい。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる光検出器１の正面図（図１（ａ））、側面図（図１（ｂ））である。本発明の実施形態にかかる光検出器１は、凸レンズ１０、基板１２、光伝導膜１４、導電膜１６ａ、１６ｂ、反射部１８、電流計２０を備える。

ただし、図示の便宜上、図１（ａ）においては電流計２０を図示省略し、図１（ｂ）においては反射部１８を図示省略する。さらに、図１（ａ）においては、反射部１８を透視して、導電膜１６ａ、１６ｂが見えるように仮想して、光検出器１を図示している。

図２は、本発明の実施形態にかかる光検出器１の斜視図であり、反射部１８を図示省略した斜視図（図２（ａ））、反射部１８を図示した斜視図（図２（ｂ））である。なお、図２は、導電膜１６ａ、１６ｂを手前にして光検出器１を図示している。また、図２（ｂ）においては、図示の便宜上、導電膜１６ａ、１６ｂを図示省略する。さらに、図示の便宜上、図２においては電流計２０を図示省略する。

凸レンズ１０は、凸面１０ａおよび平面１０ｂを有し、検出対象光Ｌ１（図２参照）を凸面１０ａに受ける。なお、検出対象光Ｌ１は、例えば、テラヘルツ光である。図１において、凸面１０ａは、−Ｘ方向（左方向）に凸である。凸レンズ１０は、例えば、Si超半球レンズである。

基板１２は、凸レンズ１０の平面１０ｂの上に配置される。基板１２は、凸レンズ１０を透過した検出対象光Ｌ１を透過させる。基板１２は、例えば、厚さ600μm程度のGaAs基板である。

光伝導膜１４は、基板１２の上に配置されている。光伝導膜１４は、例えば、厚さ1μm程度の低温成長GaAs膜である。なお、光伝導膜１４は、平面１０ｂから見て、凸面１０ａとは反対側に配置されていることになる。

二つの導電膜１６ａ、１６ｂは、光伝導膜１４上に配置され、所定の間隔ｄだけ離れている。間隔ｄは、例えば数十μm程度である。二つの導電膜１６ａ、１６ｂの間の部分（間隔ｄ）を、電極ギャップ１７という。なお、二つの導電膜１６ａ、１６ｂの間の部分（電極ギャップ１７）は、二つの導電膜１６ａ、１６ｂの間の部分の直下の光伝導膜１４の部分を含む概念である。

反射部１８は、凸レンズ１０を透過した検出対象光Ｌ１（図５参照）を反射する。反射部１８は、基板１２上に配置されている。よって、反射部１８は、平面１０ｂから見て光伝導膜１４と同じ側に配置されることになる。なお、図１に示すように、反射部１８は、凸面１０ａとは反対方向（＋Ｘ方向：右方向）に凸であってもよい。反射部１８は、例えば、球面反射鏡または放物面反射鏡である。ただし、反射部１８が平面鏡であることも考えられる。反射部１８は、例えば、ITO膜を蒸着して形成する。

なお、図２を参照して、サンプリング光Ｌ２が手前側（導電膜１６ａ、１６ｂおよび反射部１８の側）から入射される。サンプリング光Ｌ２は、例えば、フェムト秒パルス光であり、波長が800nm（ナノメートル）程度である。

図３は、光検出器１に、対称軸Ｃ上を進行する検出対象光Ｌ１およびサンプリング光Ｌ２が入射した状態を示す図である。ただし、対称軸Ｃは、凸レンズ１０および反射部１８の対称軸である。すなわち、凸レンズ１０および反射部１８が、対称軸Ｃについて、線対称である。

サンプリング光Ｌ２が、導電膜１６ａ、１６ｂおよび反射部１８の側から入射されるので（図２参照）、サンプリング光Ｌ２は平面１０ｂから見て凸レンズ１０とは反対側から入射されることになる（図３参照）。

図３を参照して、二つの導電膜１６ａ、１６ｂの間（電極ギャップ１７）に、検出対象光Ｌ１およびサンプリング光Ｌ２が入射される。なお、反射部１８は、サンプリング光Ｌ２を透過させる。

電流計２０は、二つの導電膜１６ａ、１６ｂの間（電極ギャップ１７）に流れる電流を検出する。ただし、電流計２０が、この電流を増幅してから検出するようにしてもよい。
二つの導電膜１６ａ、１６ｂの間（電極ギャップ１７）に、検出対象光Ｌ１およびサンプリング光Ｌ２が入射されると、光伝導膜１４の中に光励起キャリアが生成される。生成された光励起キャリアは、検出対象光Ｌ１の電界により加速されるため、二つの導電膜１６ａ、１６ｂの間（電極ギャップ１７）に電流が流れる。よって、二つの導電膜１６ａ、１６ｂの間（電極ギャップ１７）に流れる電流を電流計２０により検出することで、検出対象光Ｌ１を検出できる。

次に、本発明の実施形態の作用を説明する。

図３に示すように、検出対象光Ｌ１およびサンプリング光Ｌ２が対称軸Ｃ上を進行する場合、電極ギャップ１７に、検出対象光Ｌ１およびサンプリング光Ｌ２が入射される。

すなわち、検出対象光Ｌ１は凸レンズ１０により屈折しないで直進し、電極ギャップ１７に入射される。サンプリング光Ｌ２は、反射部１８を透過して、電極ギャップ１７に入射される。

しかし、検出対象光Ｌ１の光路は、対称軸Ｃから外れ、しかも対称軸Ｃに対して傾いていることがある。

図４は、光検出器１に、対称軸Ｃに対して傾いた光路を進行する検出対象光Ｌ１（高周波：波長短い）および対称軸Ｃ上を進行するサンプリング光Ｌ２が入射した状態を示す図である。

検出対象光Ｌ１はレンズ１０により屈折され、電極ギャップ１７に、入射される。サンプリング光Ｌ２は、反射部１８を透過して、電極ギャップ１７に入射される。このように、検出対象光Ｌ１の周波数が高い（波長が短い）場合は、検出対象光Ｌ１の光路が対称軸Ｃから外れていても、レンズ１０によって、検出対象光Ｌ１を電極ギャップ１７に入射させることができる。

しかし、検出対象光Ｌ１の周波数が低い（波長が長い）と、レンズ１０によっても、検出対象光Ｌ１を電極ギャップ１７に入射させることができない場合が生じる。

図５は、光検出器１に、対称軸Ｃに対して傾いた光路を進行する検出対象光Ｌ１（低周波：波長長い）および対称軸Ｃ上を進行するサンプリング光Ｌ２が入射した状態を示す図である。

サンプリング光Ｌ２は、反射部１８を透過して、電極ギャップ１７に入射される。しかし、検出対象光Ｌ１は、凸レンズ１０および基板１２を透過した後、対称軸Ｃに交差することなく、対称軸Ｃから離れていく。すなわち、検出対象光Ｌ１のビーム径が広がってしまう。この場合、反射部１８が無ければ、検出対象光Ｌ１が電極ギャップ１７に入射しないので、検出対象光Ｌ１を検出できないことになり、検出効率の低下を招く。検出対象光Ｌ１のビーム径が広がってしまう理由は、以下のようなことと思われる。

検出対象光Ｌ１の周波数が高い（波長が短い）場合は、検出対象光Ｌ１は光路Ｐ０を進行し、電極ギャップ１７に入射する。

しかし、検出対象光Ｌ１の周波数が低い（波長が長い）場合は、光路Ｐ０よりも上方に位置する光路Ｐ１を、検出対象光Ｌ１が進行する。検出対象光Ｌ１が凸レンズ１０を透過すると、凸レンズ１０と基板１２との間にある空気の層および基板１２によりさらに検出対象光Ｌ１が屈折し、光路Ｐ２を進行する。光路Ｐ２は光路Ｐ１よりもさらに光路Ｐ０から離れて上方にある。基板１２および光伝導膜１４を透過した検出対象光Ｌ１は、さらに、反射部１８内部の空気により屈折し、対称軸Ｃから離れていき、光路Ｐ３を進行する。

なお、検出対象光Ｌ１の周波数が高いとは、検出対象光Ｌ１が、おおむね、レンズ１０によって電極ギャップ１７に入射するような周波数を有することをいう。検出対象光Ｌ１の周波数が低いとは（例えば、0.3[THz]）、検出対象光Ｌ１が、レンズ１０によっては電極ギャップ１７におおむね入射しないような周波数を有することをいう。

光路Ｐ３を進行する検出対象光Ｌ１は、反射部１８により反射され、光路Ｐ４を進行する。すなわち、検出対象光Ｌ１が、対称軸Ｃに向かって、進行し、電極ギャップ１７（またはその近傍）に入射される。よって、検出対象光Ｌ１を検出できる。

対称軸Ｃから離れるように進行する検出対象光Ｌ１を反射して、対称軸Ｃに向かって進行させるために、反射部１８を凸面１０ａとは反対方向（＋Ｘ方向：右方向）に凸であるようにすることが考えられる。例えば、反射部１８を球面反射鏡または放物面反射鏡とする。

なお、図６は、反射部１８に平行光線Ｌを照射したときの光路を示す図である。反射部１８の対称軸Ｃからｄ１ずつ離れて平行な平行光線Ｌが、反射部１８にあたる点と、焦点ｆとの間の対称軸Ｃに沿った距離ｄ２（焦点距離）を短くすることが好ましい。特に、検出対象光Ｌ１の周波数が、ある低い値（例えば、0.3[THz]）をとるときに、光路Ｐ４が電極ギャップ１７に交差するように、距離ｄ２を設定することが好ましい。

本発明の実施形態によれば、検出対象光Ｌ１の周波数が低い（波長が長い）場合に、検出対象光Ｌ１が凸レンズ１０および基板１２を透過した後、対称軸Ｃに交差することなく、対称軸Ｃから離れていく現象が生じた場合に、反射部１８によって検出対象光Ｌ１を反射することで、検出対象光Ｌ１を対称軸Ｃに向かって進行させ、電極ギャップ１７（またはその近傍）に入射させることができる。よって、検出対象光Ｌ１の検出効率を向上させることができる。

なお、本発明の実施形態にかかる光検出器１には色々な変形例が考えられる。なお、以下の変形例を図示する図７、８、９において、サンプリング光Ｌ２の光路を図示する。

図７は、図１に示す反射部１８の内側（反射部１８と光伝導膜１４との間）に光透過材２２を充填した光検出器１の正面図である。ただし、反射部１８を透視して、導電膜１６ａ、１６ｂおよび光透過材２２が見えるように仮想して、光検出器１を図示している。

光透過材２２は、検出対象光Ｌ１およびサンプリング光Ｌ２を透過させるものである。光透過材２２は、例えば、ツルピカ（商標）である（TPX樹脂の一種）。図７に示す光検出器１の作用は、図１に示す光検出器１の作用と同様である。

図８は、図１に示す反射部１８がサンプリング光Ｌ２の光路と交差する部分に孔１８ａを有する光検出器１の正面図（図８（ａ））、側面図（図８（ｂ））である。ただし、図８（ａ）においては、反射部１８を透視して、導電膜１６ａ、１６ｂが見えるように仮想して、光検出器１を図示している。

孔１８ａは、例えば、10μm程度の直径の孔である。なお、反射部１８の内側は中空である。図８に示す反射部１８は、サンプリング光Ｌ２を透過させる材料で構成されていなくても、サンプリング光Ｌ２は孔１８ａを通過することで、電極ギャップ１７に入射される。図８に示す光検出器１のその他の作用は、図１に示す光検出器１の作用と同様である。

図９は、図８に示す反射部１８の内側（反射部１８と光伝導膜１４との間）に検出対象光透過材２４を充填した光検出器１の正面図（図９（ａ））、側面図（図９（ｂ））である。ただし、図９（ａ）においては、反射部１８を透視して、導電膜１６ａ、１６ｂおよび検出対象光透過材２４が見えるように仮想して、光検出器１を図示している。

検出対象光透過材２４は、反射部１８の内側に、検出対象光Ｌ１をサンプリング光Ｌ２よりもよく透過させる材料である。検出対象光透過材２４は、例えば、シリコンである。検出対象光透過材２４は、検出対象光Ｌ１を透過させ、サンプリング光Ｌ２を透過させないことが好ましい。

検出対象光透過材２４は、サンプリング光Ｌ２の光路に沿って空洞２４ａを有する。サンプリング光Ｌ２は空洞２４ａを通過することで、電極ギャップ１７に入射される。図９に示す光検出器１のその他の作用は、図１に示す光検出器１の作用と同様である。

本発明の実施形態にかかる光検出器１の正面図（図１（ａ））、側面図（図１（ｂ））である。本発明の実施形態にかかる光検出器１の斜視図であり、反射部１８を図示省略した斜視図（図２（ａ））、反射部１８を図示した斜視図（図２（ｂ））である。光検出器１に、対称軸Ｃ上を進行する検出対象光Ｌ１およびサンプリング光Ｌ２が入射した状態を示す図である。光検出器１に、対称軸Ｃに対して傾いた光路を進行する検出対象光Ｌ１（高周波：波長短い）および対称軸Ｃ上を進行するサンプリング光Ｌ２が入射した状態を示す図である。光検出器１に、対称軸Ｃに対して傾いた光路を進行する検出対象光Ｌ１（低周波：波長長い）および対称軸Ｃ上を進行するサンプリング光Ｌ２が入射した状態を示す図である。反射部１８に平行光線Ｌを照射したときの光路を示す図である。図１に示す反射部１８の内側（反射部１８と光伝導膜１４との間）に光透過材２２を充填した光検出器１の正面図である。図１に示す反射部１８がサンプリング光Ｌ２の光路と交差する部分に孔１８ａを有する光検出器１の正面図（図８（ａ））、側面図（図８（ｂ））である。図８に示す反射部１８の内側（反射部１８と光伝導膜１４との間）に検出対象光透過材２４を充填した光検出器１の正面図（図９（ａ））、側面図（図９（ｂ））である。

符号の説明

１光検出器
１０凸レンズ
１０ａ凸面
１０ｂ平面
１２基板
１４光伝導膜
１６ａ、１６ｂ導電膜
１７電極ギャップ
１８反射部
１８ａ孔
２０電流計
２２光透過材
２４検出対象光透過材
２４ａ空洞
Ｌ１検出対象光
Ｌ２サンプリング光
Ｃ対称軸
Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４光路

Claims

凸面および平面を有し、検出対象光を前記凸面に受ける凸レンズと、
前記平面から見て、前記凸面とは反対側に配置された光伝導膜と、
前記光伝導膜上に配置され、所定の間隔離れた二つの導電膜と、
前記平面から見て前記光伝導膜と同じ側に配置され、前記凸レンズを透過した前記検出対象光を反射する反射部と、
を備えた光検出器。
請求項１に記載の光検出器であって、
前記反射部は、前記凸面とは反対方向に凸である、
光検出器。
請求項１または２に記載の光検出器であって、
前記凸レンズの前記平面上に配置され、前記凸レンズを透過した前記検出対象光を透過させる基板を備え、
前記光伝導膜が、前記基板上に配置されている、
光検出器。
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光検出器であって、
サンプリング光が、前記平面から見て前記凸レンズとは反対側から入射され、
前記二つの導電膜の間に、前記検出対象光および前記サンプリング光が入射される、
光検出器。
請求項４に記載の光検出器であって、
前記反射部は、前記サンプリング光を透過させるものである、
光検出器。
請求項５に記載の光検出器であって、
前記反射部の内側に、前記検出対象光および前記サンプリング光を透過させる光透過材、
を備えた光検出器。
請求項４に記載の光検出器であって、
前記反射部は、
前記サンプリング光の光路と交差する部分に孔を有する、
光検出器。
請求項７に記載の光検出器であって、
前記反射部の内側に、前記検出対象光を前記サンプリング光よりもよく透過させる検出対象光透過材を備え、
前記検出対象光透過材は、前記サンプリング光の光路に沿って空洞を有する、
光検出器。
請求項７に記載の光検出器であって、
前記反射部の内側は中空である、
光検出器。
請求項４ないし９のいずれか一項に記載の光検出器であって、
前記二つの導電膜の間に流れる電流を検出する電流検出部を備えた光検出器。
請求項４ないし１０のいずれか一項に記載の光検出器であって、
前記検出対象光がテラヘルツ光であり、
前記サンプリング光がフェムト秒パルス光である、
光検出器。
請求項４ないし１０のいずれか一項に記載の光検出器であって、
前記反射部が、球面反射鏡または放物面反射鏡である、
光検出器。