JP2009282073A - テラヘルツ波の強度変調方法およびテラヘルツ波の強度変調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な制御が可能で、テラヘルツ波を容易に変調することができるテラヘルツ波の強度変調方法およびテラヘルツ波の強度変調装置を提供する。
【解決手段】管状の導波路１３が、半導体で形成され、入射用光源１１からのテラヘルツ波を内部に伝播可能に設けられている。変調用光源１４が、導波路１３を形成する半導体のバンドギャップに相当する波長を含む光を、導波路１３の外側面に照射可能に設けられている。調整部１５が、変調用光源１４から照射される光の強度を変化可能に設けられている。導波路１３の内部にテラヘルツ波を伝播させ、変調用光源１４により、半導体のバンドギャップに相当する波長を含む光を導波路１３の外側面に照射する。調整部１５により、変調用光源１４から照射される光の強度を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ波の強度変調方法およびテラヘルツ波の強度変調装置に関する。

光計測や光制御、光検出などを行うときには、一般的に、照射された入射光を光チョッパで変調した後、検出器で検出している。従来の光チョッパとして、回転羽根や回転板を回転させて入射光を断続させる回転式のものがある（例えば、特許文献１、２または３参照）。しかし、回転式の光チョッパでは、回転羽根や回転板の回転により発生する振動が、他の測定系に悪影響を与える可能性があるという問題があった。また、回転の精度にブレが生じやすく、高精度に制御することが困難であるという問題もあった。

この問題を解決するため、機械的な回転や振動を伴わず、印加磁界に応じて光減衰量が変化する光可変減衰器により入射光を断続することができる光チョッパが提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開平８−６２０４０号公報 特開２００３−１１４３９０号公報 特開平７−２７０６９０号公報 特開２００７−４７２１７号公報

しかしながら、特許文献４に記載の光チョッパでは、テラヘルツの周波数帯の光に対して作用する光可変減衰器が存在しないため、テラヘルツ波には使用できないという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、高精度な制御が可能で、テラヘルツ波を容易に変調することができるテラヘルツ波の強度変調方法およびテラヘルツ波の強度変調装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るテラヘルツ波の強度変調方法は、半導体で形成された導波路にテラヘルツ波を伝播させ、前記半導体のバンドギャップに相当する波長を含む光を前記導波路に照射することを、特徴とする。

本発明に係るテラヘルツ波の強度変調方法では、導波路を形成する半導体のバンドギャップに相当する波長を含む光を導波路に照射すると、光励起キャリアが発生し、キャリア密度が上昇する。テラヘルツ波が導波路を伝播するとき、このキャリア密度に応じてテラヘルツ波の透過率が変化する。すなわち、キャリア密度が高くなるに従い、テラヘルツ波の透過率が低下する。このため、導波路に照射する光を調整して、キャリア密度を変化させることにより、テラヘルツ波を容易に変調することができる。

また、テラヘルツ波の透過率が、導波路の表面近傍のキャリア密度に大きく依存するため、弱い光でも大きな変調を与えることができる。光の調整を高精度に行うことにより、テラヘルツ波の変調を高精度に制御することができ、テラヘルツ波の強度を自在に変化させることができる。テラヘルツ波に対する半導体の吸収係数が非常に小さいため、半導体で導波路を形成することにより、テラヘルツ波を効率よく伝播させることができる。半導体は、シリコンやゲルマニウムなど、いかなるものから成っていてもよい。なお、導波路は、大気中に限らず、水中に設置されていてもよい。

本発明に係るテラヘルツ波の強度変調方法で、前記導波路は管状であり、前記導波路の内部に前記テラヘルツ波を伝播させ、前記導波路の外側面に前記光を照射することが好ましい。また、本発明に係るテラヘルツ波の強度変調方法で、前記導波路は板状であり、前記導波路の一方の表面側に前記テラヘルツ波を伝播させ、前記導波路の他方の表面に前記光を照射してもよい。これらの場合、テラヘルツ波の変調を、特に高精度に制御することができる。

本発明に係るテラヘルツ波の強度変調方法は、前記光の波長および強度のうち少なくとも一方を変化可能であることが好ましい。この場合、導波路で発生するキャリアの密度を変化させることができ、テラヘルツ波を容易に変調することができる。また、光の波長または強度の制御は、機械的な回転の制御よりも容易かつ高精度に行うことができるため、回転式の光チョッパに比べて、テラヘルツ波を高速かつ高精度で変調することができる。

本発明に係るテラヘルツ波の強度変調装置は、テラヘルツ波の入射用光源と、半導体で形成され、前記入射用光源からの前記テラヘルツ波を内部に伝播可能に設けられた管状の導波路と、前記半導体のバンドギャップに相当する波長を含む光を、前記導波路の外側面に照射可能に設けられた変調用光源とを、有することを特徴とする。

本発明に係るテラヘルツ波の強度変調装置は、本発明に係るテラヘルツ波の強度変調方法を実施することができる。本発明に係るテラヘルツ波の強度変調装置では、まず、半導体で形成された管状の導波路の内部に、入射用光源によりテラヘルツ波を伝播させる。変調用光源により導波路を形成する半導体のバンドギャップに相当する波長を含む光を、導波路の外側面に照射する。このとき、光励起キャリアが発生してキャリア密度が上昇し、そのキャリア密度に応じて、導波路の内部を伝播するテラヘルツ波の透過率が変化する。すなわち、キャリア密度が高くなるに従い、テラヘルツ波の透過率が低下する。このため、導波路に照射する光を調整して、キャリア密度を変化させることにより、テラヘルツ波を容易に変調することができる。

また、テラヘルツ波の透過率が、導波路の表面近傍のキャリア密度に大きく依存するため、弱い光でも大きな変調を与えることができる。変調用光源から照射される光の調整を高精度に行うことにより、テラヘルツ波の変調を高精度に制御することができ、テラヘルツ波の強度を自在に変化させることができる。テラヘルツ波に対する半導体の吸収係数が非常に小さいため、半導体で導波路を形成することにより、テラヘルツ波を効率よく伝播させることができる。半導体は、シリコンやゲルマニウムなど、いかなるものから成っていてもよい。なお、導波路は、大気中に限らず、水中に設置されていてもよい。

本発明に係るテラヘルツ波の強度変調装置は、前記変調用光源から照射される前記光の波長または強度のうち少なくとも一方を変化可能に設けられた調整部を、有することが好ましい。この場合、調整部により、導波路で発生するキャリアの密度を変化させることができ、テラヘルツ波を容易に変調することができる。また、光の波長または強度の制御は、機械的な回転の制御よりも容易かつ高精度に行うことができるため、回転式の光チョッパに比べて、テラヘルツ波を高速かつ高精度で変調することができる。

本発明によれば、高精度な制御が可能で、テラヘルツ波を容易に変調することができるテラヘルツ波の強度変調方法およびテラヘルツ波の強度変調装置を提供することができる。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図３は、本発明の実施の形態のテラヘルツ波の強度変調方法およびテラヘルツ波の強度変調装置を示す。
図１に示すように、テラヘルツ波の強度変調装置１０は、入射用光源１１と光学素子部１２と導波路１３と変調用光源１４と調整部１５と検出部１６とを有している。

入射用光源１１は、後進波管（Backward Wave Oscillator）から成り、テラヘルツ波を発生可能である。図１に示す一例では、入射用光源１１は、周波数約１ＴＨｚの連続波を、出力約１ｍＷで発生するようになっている。

光学素子部１２は、光学調整用光源２１とＩＴＯ膜付きガラス板２２と軸外し放物面鏡２３と光チョッパ２４とレンズ２５とを有している。ＩＴＯ膜付きガラス板２２は、光学調整用光源２１からの光を真っ直ぐに透過可能、かつ、入射用光源１１からの入射光を約９０度反射可能に配置されている。ＩＴＯ膜付きガラス板２２は、入射用光源１１からの入射光の伝播方向を、光学調整用光源２１からの光の伝播方向に一致させるよう調整可能になっている。軸外し放物面鏡２３は、３つから成り、入射用光源１１からの入射光を平行光にし、その入射光を導波路１３に案内する光路を形成するよう配置されている。光チョッパ２４は、回転式で、光路の中間付近に設けられ、入射光を強度変調するよう構成されている。レンズ２５は、軸外し放物面鏡２３により平行光にされた入射光を集光し、導波路１３の内部に案内するよう配置されている。

導波路１３は、円管状を成し、テラヘルツ波帯で吸収係数が小さいシリコン結晶（バンドギャップが約８００ｎｍ）で形成されている。導波路１３は、レンズ２５を通過した入射用光源１１からの入射光を、一端から内部に伝播可能に設けられている。図１に示す一例では、導波路１３は、内径が２．０ｍｍ、長さが５０ｍｍである。なお、導波路１３は、入射光の波長の約７倍の内径を有することが好ましく、入射光の波長が０．３ｍｍ（周波数：１ＴＨｚ）のとき、内径２ｍｍ（屈折率３．４の導波路）、入射光の波長が３ｍｍ（周波数：０．１ＴＨｚ）のとき、内径２０ｍｍ（屈折率１．６の導波路）であることが好ましい。

変調用光源１４は、導波路１３を形成するシリコンのバンドギャップに相当する、８００ｎｍの波長を含む光を照射可能な白色電球から成っている。変調用光源１４は、導波路１３の外側面全体に照射可能に設けられている。なお、変調用光源１４は、例えば、懐中電灯や発光ダイオード（ＬＥＤ）などから成っていてもよい。

調整部１５は、複数枚の減衰板から成り、変調用光源１４から照射される光の光路上に配置可能に設けられている。調整部１５は、光路上に配置される減衰板の枚数を変えることにより、変調用光源１４から照射される光の強度を変化可能になっている。

検出部１６は、２つの焦電素子型検出器２６ａ，２６ｂとオシロスコープ２７とコンピュータ２８とを有している。一方の焦電素子型検出器２６ａは、導波路１３の他端側に配置され、導波路１３を通過した透過光を検出可能になっている。他方の焦電素子型検出器２６ｂは、変調用光源１４から照射され、調整部１５を通過した強度調整光を検出可能に配置されている。オシロスコープ２７は、各焦電素子型検出器２６ａ，２６ｂが接続され、各焦電素子型検出器２６ａ，２６ｂで検出された透過光の透過信号および強度調整光の強度調整信号を表示可能になっている。コンピュータ２８は、オシロスコープ２７に接続され、透過信号および強度調整信号を入力して、様々な解析を行うことができるようになっている。

本発明の実施の形態のテラヘルツ波の強度変調方法は、テラヘルツ波の強度変調装置１０により実施することができる。入射用光源１１で発生したテラヘルツ波の入射光は、軸外し放物面鏡２３等の光学素子部１２により平行光となった後、光チョッパ２４により強度変調を受け、レンズ２５によって集光し、導波路１３へ入射する。導波路１３の内部を伝播するテラヘルツ波は、特性伝播モードを持ち、導波路１３の外側面の近傍に均一な近接場光を発生させながら伝播する。このとき、変調用光源１４により導波路１３を形成する半導体のバンドギャップに相当する波長を含む光を、導波路１３の外側面に照射する。

導波路１３から再び自由空間へ放射されたテラヘルツ波の透過光は、焦電素子型検出器２６ａにより検出され、また、変調用光源１４から照射されて調整部１５を通過した強度変調光は、焦電素子型検出器２６ｂにより検出され、それぞれオシロスコープ２７やコンピュータ２８に入力される。検出された透過光の透過信号および強度変調光の強度調整信号は、オシロスコープ２７に表示され、コンピュータ２８により様々な解析が行われる。

本発明の実施の形態のテラヘルツ波の強度変調方法およびテラヘルツ波の強度変調装置１０では、導波路１３の外側面に変調用光源１４の光を照射すると、光励起キャリアが発生してキャリア密度が上昇し、そのキャリア密度に応じて、導波路１３の内部を伝播するテラヘルツ波の透過率が変化する。すなわち、キャリア密度が高くなるに従い、テラヘルツ波の透過率が低下する。このため、調整部１５の減衰板の枚数を変えて、導波路１３に照射する光の強度を調整することにより、キャリア密度を変化させ、テラヘルツ波を容易に変調することができる。

また、テラヘルツ波の透過率が、導波路１３の表面近傍のキャリア密度に大きく依存するため、変調用光源１４から照射される光が弱くても大きな変調を与えることができる。調整部１５による光の調整を高精度に行うことにより、テラヘルツ波の変調を高精度に制御することができ、テラヘルツ波の強度を自在に変化させることができる。光の強度の制御は、機械的な回転の制御よりも容易かつ高精度に行うことができるため、回転式の光チョッパ２４に比べて、テラヘルツ波を高速かつ高精度で変調することができる。

なお、導波路１３は板状であり、導波路１３の一方の表面側にテラヘルツ波を伝播させ、導波路１３の他方の表面に変調用光源１４の光を照射してもよい。また、調整部１５は、減衰板でなくとも、変調用光源１４から照射される光の調整を高精度に行えるものであれば、いかなるものから成っていてもよい。

調整部１５の減衰板の枚数を変えて、大気中に設置された導波路１３に照射する光の強度を変化させたときの、テラヘルツ波の透過率の変化を、図２に示す。図２に示すように、変調用光源１４から光を照射すると（図２中、２０秒付近）、テラヘルツ波の透過率は４０％未満まで低下する（図２中、２０〜９０秒の範囲）。その後、調整部１５の減衰板の枚数を１枚ずつ増やして、導波路１３に照射する光の強度を段階的に低下させると、それに対応してテラヘルツ波の透過率が段階的に大きくなることが確認された（図２中、９０秒以降の範囲）。また、変調用光源１４から照射される光の強度の変化に対する、テラヘルツ波の透過率の変化の反応が速いことも確認された。このように、導波路１３に照射する光の強度を高精度に制御することにより、テラヘルツ波を高速かつ高精度で容易に変調することができる。

次に、水中に導波路１３を設置し、調整部１５の減衰板の枚数を変えて導波路１３に照射する光の強度を変化させたときの、テラヘルツ波の透過率の変化を調べ、図３に示す。図３に示すように、変調用光源１４から光を照射すると、テラヘルツ波の透過率は４０％程度まで低下する（図３中、０〜２０秒の範囲）。その後、調整部１５の減衰板の枚数を１枚ずつ増やして、導波路１３に照射する光の強度を段階的に低下させると、それに対応してテラヘルツ波の透過率が段階的に大きくなることが確認された（図３中、２０秒以降の範囲）。また、変調用光源１４から照射される光の強度の変化に対する、テラヘルツ波の透過率の変化の反応が速いことも確認された。このように、導波路１３を水中に設置しても、図２の大気中に設置した場合とほぼ同様の結果が得られた。従って、導波路１３を水中に設置しても、導波路１３に照射する光の強度を高精度に制御することにより、テラヘルツ波を高速かつ高精度で容易に変調することができる。

本発明の実施の形態のテラヘルツ波の強度変調装置を示す全体構成図である。 本発明の実施の形態のテラヘルツ波の強度変調方法およびテラヘルツ波の強度変調装置の、導波路に照射する光の強度および導波路を伝播するテラヘルツ波の透過率の時間変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態のテラヘルツ波の強度変調方法およびテラヘルツ波の強度変調装置の、水中に設置された導波路に照射する光の強度および導波路を伝播するテラヘルツ波の透過率の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１０ テラヘルツ波の強度変調装置
１１ 入射用光源
１２ 光学素子部
１３ 導波路
１４ 変調用光源
１５ 調整部
１６ 検出部
２１ 光学調整用光源
２２ ＩＴＯ膜付きガラス板
２３ 軸外し放物面鏡
２４ 光チョッパ
２５ レンズ
２６ａ，２６ｂ 焦電素子型検出器
２７ オシロスコープ
２８ コンピュータ

Claims (6)

1. 半導体で形成された導波路にテラヘルツ波を伝播させ、前記半導体のバンドギャップに相当する波長を含む光を前記導波路に照射することを、特徴とするテラヘルツ波の強度変調方法。
2. 前記導波路は管状であり、前記導波路の内部に前記テラヘルツ波を伝播させ、前記導波路の外側面に前記光を照射することを、特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波の強度変調方法。
3. 前記導波路は板状であり、前記導波路の一方の表面側に前記テラヘルツ波を伝播させ、前記導波路の他方の表面に前記光を照射することを、特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波の強度変調方法。
4. 前記光の波長および強度のうち少なくとも一方を変化可能であることを、特徴とする請求項１、２または３記載のテラヘルツ波の強度変調方法。
5. テラヘルツ波の入射用光源と、
   半導体で形成され、前記入射用光源からの前記テラヘルツ波を内部に伝播可能に設けられた管状の導波路と、
   前記半導体のバンドギャップに相当する波長を含む光を、前記導波路の外側面に照射可能に設けられた変調用光源とを、
   有することを特徴とするテラヘルツ波の強度変調装置。
6. 前記変調用光源から照射される前記光の波長または強度のうち少なくとも一方を変化可能に設けられた調整部を、有することを特徴とする請求項５記載のテラヘルツ波の強度変調装置。