JP2011028132A - テラヘルツ波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導波路構造体への入射テラヘルツ波を集光したり、導波路構造体からの出射テラヘルツ波を狭放射角化するテラヘルツ波装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るテラヘルツ波装置は、テラヘルツ波を伝播するテフロン製ファイバー１１０と、板状に形成され、表面がテフロン（登録商標）製ファイバー１１０の入射面及び出射面の少なくとも一方に接する板状光学素子１２０とを備え、前記板状光学素子１２０の裏面は、凸部１２２ａが形成され、凸部１２２ａの幅は、前記テラヘルツ波の波長以下である。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）波を扱うテラヘルツ波装置に関するものである。

テラヘルツ波とは、一般的に波長が３０〜３０００μｍ（周波数が０．１〜１０ＴＨｚ）の電磁波を示し、光と電波の境界領域に属し、電波のもつ透過性と光の持つ直進性を有する。また、この領域の電磁波は、物質に固有の吸収スペクトルを多数有する。それゆえ、例えば、封筒中の郵便物検査、食品・所持物検査、薬物分析、皮膚がん検査、半導体不純物量検査／複素誘電率評価などの医学応用、環境計測、工学応用など多数の産業用途が期待されており、近年、その研究開発が活発に行われている。

このテラヘルツ波の伝播手段として自由空間を用いることが多いが、伝播方向を規定するために導波路構造体を用いることが有効である。ここで導波路構造体とは、（i）高屈折率材料を低屈折率材料で挟み込んだ構造、（ii）誘電体を導体（金属）で挟み込んだ構造、または、（iii）誘電体の表面に導体を形成した構造を有する。（i）において、テラヘルツ波は高屈折率材料の領域に閉じ込められて伝播する。（ii）において、誘電体の領域に閉じ込められて伝播する。（iii）において、導体／誘電体の界面に貼付いたように伝播する。このように導波路構造体を用いることにより、テラヘルツ波の伝播方向を決めることができる。

この導波路構造体としては、例えば、テフロン（登録商標）製ファイバーを用いる（例えば、非特許文献１参照）。テフロン（Polytetrafluorethylene）を用いる理由は、テラヘルツ帯の吸収が小さいためである。具体的には、１THｚにおけるテラヘルツ波の吸収は約０．３ｃｍ−１である。また、ファイバーは一般に取り扱いが容易であり、利便性が向上する。

また導波路構造体として、テラヘルツ帯のレーザ構造を用いることもある（例えば、非特許文献２参照）。この構造において、テラヘルツ波は、レーザ構造内を導波することにより利得を得る。

このような導波路構造体は、導波路へ光を入射、または、導波路から光を出射させるために、導波路端面に半絶縁性Ｓｉ半球レンズを用いる。例えば、非特許文献１ではテフロン製ファイバーの先端にＳｉ半球レンズを取り付けている。これにより、外部から入射したテラヘルツ波は半球レンズによりテフロン製ファイバーの高屈折率部分に集光され、テフロン製ファイバーの中を導波する。

また、テラヘルツ帯レーザの出力面に、半絶縁性Ｓｉを用いた半球レンズを取り付け、放射角を狭め光学系との結合効率を高める手法が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。

Jpn. J. Appl. Phys., vol. 43 , L317 (2004) Nature vol. 417, 156 (2002) Optics Letters, vol.32, 2840 (2007)

しかしながら、半球レンズによる集光や狭放射角化には下記のような課題がある。

（１）半球レンズ作製における材料の無駄
Ｓｉ半球レンズは一般に、インゴットから角型に切り出し、研磨により球状に仕上げる。その球の一部を切り取ることにより半球レンズを仕上げる。従って、削り取る部分が多く、材料無駄が多い。また、このような研磨は手作業に近く、量産性が低い。

（２）半球レンズの光学性能
半球レンズの光学特性（焦点など）は上記の研磨における機械精度で決まる。しかし、（１）に記載のように、半球レンズは研磨により作製される。つまり、半球レンズは、本質的に１個１個を作製するため、個々の形状のばらつきが大きい。このため、この半球レンズの光学性能もばらついてしまう。

（３）半球レンズのハンドリング
後述のアライメントなどにおいて、半球形状を直接ハンドリングすることは現実的でない。このため、半球レンズを円穴の開いた補助板などに固定して使用する。したがって、半球レンズを補助板に固定する工程が加わり、コストアップの要因になる。

（４）半球レンズのアライメント
良好な放射ビームを得るためには、半球レンズの中心を導波路構造体の中心に合わせることが必要である。ところが、半球レンズの中心位置は形状から確認するしかない。一般に球状物体の中心位置を検出するには画像認識など、高度な組立設備を必要とする。また、導波路構造体を動作、つまり導波路構造体をテラヘルツ波が伝播している状態で、半球レンズを通過したテラヘルツ波の強度等が最適になるように調整する、所謂アクティブアライメントも可能である。しかしながら、下記の理由によりアクティブアライメントは困難である。

・テラヘルツ波自体の検出が困難であるため、アライメントが大きくずれた場合、制御できない。

・テラヘルツ放射体は冷却して使用することが多い。このため、アクティブアライメント中にも冷却するため、アクティブアライメント装置自体も低温対応が必要になる。

以上のように、半絶縁性Ｓｉ半球レンズを用いて、入射テラヘルツ波を集光したり、出射テラヘルツ波を狭放射角化することは、量産性が低く、コストが高い。

そこで本発明は、量産性が高い手法により、導波路構造体への入射テラヘルツ波を集光したり、導波路構造体からの出射テラヘルツ波を狭放射角化するテラヘルツ波装置を提供することを目的とする。

本発明に係るテラヘルツ波装置は、テラヘルツ波を伝播する導波路構造体と、板状に形成され、表面が導波路構造体の入射面及び出射面の少なくとも一方に接する光学素子とを備え、前記光学素子の裏面は、第１凸部が形成され、前記第１凸部の幅は、前記テラヘルツ波の波長以下である。

このような構成により、第１凸部によりテラヘルツ波が出射または入射時に感じる実効的な屈折率が変化する。この結果、テラヘルツ波の入射角／放射角を制御することができる。また、光学素子が板状に形成されていることにより、加工が容易であり、量産性が高い。また、光学素子が板状であるためハンドリングが容易であり、補助板などを使用する必要性がなく、コストを削減できる。

また、前記光学素子の裏面は、複数の前記第１凸部が同心円状に形成され、前記テラヘルツ波の波長をλ、焦点距離をｆ、隣接する前記第１凸部間の外周の半径差をａ、前記光学素子の屈折率をｎとするとき、外周の半径がｒ＋ａである第１凸部の幅Ｗは、Ｗ＝ａ（１−ｎｒ２／（２λｆ））を満たしてもよい。

このような構成により、集光効果が得られるので、光学素子に入射したテラヘルツ波を効率良く導波路構造体へ集光できる。または、このような構成により、焦点から放射されたテラヘルツ波がコリメートされるので、導波路構造体の端面から放射されたテラヘルツ波を狭放射角化して放射できる。その結果、テラヘルツ波の出力が増加し、他の測定系との光学結合が向上する。

また、前記光学素子の表面は、第２凸部が形成され、前記第２凸部の幅は、前記テラヘルツ波の波長以下であってもよい。

このような構成により、パッシブアライメントにより、導波路構造体と光学素子の位置あわせが容易にできる。また、このマークを半導体工程などで多用されるアライメントマークを用いることで、特別な工程を必要とせず、マークをつけることができる。

また、複数の前記第１凸部は、前記テラヘルツ波を焦点に集光し、前記光学素子は、さらに、前記焦点の位置を規定するマークが形成されていてもよい。

半絶縁性シリコンは、テラヘルツ帯の吸収が非常に小さいので、光学素子に入射したテラヘルツ波を効率よく出射できる。また、半絶縁性シリコンは、半導体産業で多用されており、材料コストが安いのみならず、加工性が高いので、材料コスト及び製造コストを削減できる。

また、前記光学素子は、半絶縁性シリコンにより形成されていてもよい。
このような構成により、入射したテラヘルツ波の反射が低減する。

また、前記テラヘルツ波装置はさらに、前記光学素子の表面上に形成され、前記テラヘルツ波の反射を防止する反射防止膜を有してもよい。

このような構成により、２つのレンズの効果を１つの光学素子で実現することができる。

また、前記導波路構造体の入射面及び出射面の少なくとも一方の面積は、前記光学素子の表面の面積よりも小さくてもよい。

また、本発明に係るテラヘルツ波装置は、テラヘルツ波を伝播する導波路構造体を備え、前記導波路構造体の入射面及び出射面の少なくとも一方に凸部が形成され、前記凸部の幅は、前記テラヘルツ波の波長以下である。

このような構成により、凸部の回折効果により、放射角を変えることができる。

また、前記端面は、複数の前記凸部が同心円状に形成され、前記テラヘルツ波の波長をλ、焦点距離をｆ、隣接する前記凸部間の外周の半径差をａ、前記光学素子の屈折率をｎとするとき、外周の半径がｒ＋ａである凸部の幅Ｗは、Ｗ＝ａ（１−ｎｒ２／（２λｆ））を満たしてもよい。

以上、本発明に係るテラヘルツ波装置は、量産性が高い手法により、導波路構造体への入射テラヘルツ波を集光したり、導波路構造体からの出射テラヘルツ波を狭放射角化できる。

実施の形態１に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す断面図である。 テラヘルツ波装置を回折格子型レンズ側から見た図である。 実施の形態２に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す断面図である。 実施の形態３に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す斜視図である。 テラヘルツ波装置の構成の一例を示す断面図である。 実施の形態４に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す断面図である。 実施の形態５に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す断面図である。 実施の形態６に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す斜視図である。 テラヘルツ波装置の構成の一例を示す断面図である。

以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態に係るテラヘルツ波装置は、テラヘルツ波を伝播する導波路構造体と、板状に形成され、表面が導波路構造体の入射面及び出射面の少なくとも一方に接する光学素子とを備え、前記光学素子の裏面は、第１凸部が形成され、前記第１凸部の幅は、前記テラヘルツ波の波長以下である。これにより、量産性が高い手法により、導波路構造体への入射テラヘルツ波を集光できる。

図１Ａ及び図１Ｂは、実施の形態１に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す図であり、図１Ａは、実施の形態１に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す断面図である。なお、図１Ａは図１ＢのＡ−Ａ’面における断面図である。

同図に示すテラヘルツ波装置１００は、テフロン製ファイバー１１０及び板状光学素子１２０を備える。

テフロン製ファイバー１１０は、導波路構造体であって、入射面から入射したテラヘルツ波を出射面へ伝播する。このテフロン製ファイバー１１０においては、入射面と出射面との区別はなく、例えば図１Ａにおける左端面及び右端面は、テラヘルツ波の進行方向に応じて入射面及び出射面のいずれかとなる。テフロンの屈折率は１．６〜１．７であることにより、テフロン製ファイバー１１０は、テフロン自体を高屈折率材料、周囲の空気（屈折率＝１）を低屈折率材料として導波路を形成することができる。なお、導波路構造体としては、テフロン製ファイバーの他、ＨＤＰＥ（High Density Polyethylene）製ファイバーなどを用いることも可能である。

板状光学素子１２０は、板状に形成された光学素子であって、表面がテフロン製ファイバー１１０の端面に接続され、裏面に入射したテラヘルツ波ＴＷを集光し、表面からテフロン製ファイバー１１０へ出射する。具体的には、この板状光学素子１２０は、光学素子基板１２１、回折格子型レンズ１２２及びＡＲコート膜１２３を備え、光学素子基板１２１のテラヘルツ入射面に回折格子型レンズ１２２を有し、光学素子基板１２１のテラヘルツ出射面にＡＲコート膜１２３を有する。なお、光学素子基板１２１のテラヘルツ入射面側が板状光学素子１２０の裏面側であり、光学素子基板１２１のテラヘルツ出射面側が板状光学素子１２０の表面側である。

光学素子基板１２１は、回折格子型レンズ１２２の土台として働き、その回折格子型レンズ１２２を透過したテラヘルツ波がテフロン製ファイバー１１０内へ集光する程度の厚みを有する。この光学素子基板１２１のテラヘルツ出射面は、研磨されている。また、光学素子基板１２１には、回折格子型レンズ１２２の集光位置を示すマークであって、半導体工程などで多用されるアライメントマークＭが付けられている。このアライメントマークＭが四隅に付けられていることで、テフロン製ファイバー１１０と、板状光学素子１２０との位置合わせが容易にできる。具体的には、回折格子型レンズ１２２の集光位置を基準として、所定の位置にアライメントマークＭを付けておくことで、アライメントマークＭの位置から回折格子型レンズ１２２の集光位置を検出できる。

回折格子型レンズ１２２は、同心円状に形成された凹凸を有し、入射した光を集光する凸レンズとして機能する。

図１Ｂは、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置１００を、回折格子型レンズ１２２側から見た図である。同図に示すように、回折格子型レンズ１２２には、複数の凸部１２２ａ及び複数の凹部１２２ｂが同心円状に形成されている。なお、中心の凸部１２２ａは円状に形成されている。複数の凸部１２２ａ及び複数の凹部１２２ｂのうち、１つの凹部１２２ｂ及び当該凹部１２２ｂの外周に隣接する凸部１２２ａとで１つのゾーンを形成する。また、中心の凸部１２２ａは、それ自身で１つのゾーンを形成する。

このゾーンは下記の関係を満たすように形成されている。
入射したテラヘルツ波の波長をλ、テラヘルツ波が集まる焦点距離をｆ、ゾーンの内周の半径は一定値ａの整数倍であり、隣接するゾーンの内周の半径との差をａ、凸部１２２ａを構成する材料の屈折率をｎとしたとき、内周の半径がｒであるゾーンにおける凸部１２２ａの線幅ｗ２は、下記の式１を満たす。

ｗ２＝ａ（１−ｎｒ２／２λf） （式１）

つまり、外周の半径がｒ＋ａである凸部１２２ａの線幅ｗ２は上記の式１を満たす。これにより、ある波長を有するテラヘルツ波の焦点距離を回折格子型レンズ１２２の形状のみで指定できる。

例えば、λ＝１００μｍ（３ＴＨｚ）、ｆ＝５００μｍ（板状光学素子１２０のテラヘルツ出射側が焦点）、ａ＝１０μｍ、ｎ＝３．５の場合、凸部１２２ａの線幅は式２となる。

ｗ２＝１０（１−（ｒ／１６９）２） （式２）

なお、内周の半径がｒであるゾーンにおける凹部１２２ｂの線幅ｗ１は、ｗ１＝ａ−ｗ２となる。

また、光学素子基板１２１及び回折格子型レンズ１２２に用いる材料としては、テラヘルツ波に対する吸収が小さいものが望ましい。また、凹凸を形成する加工精度が高いこと、および、凹凸による光学影響を大きくするためにテラヘルツ帯における屈折率がある程度のものが望まれる。例えば、光学素子基板１２１及び回折格子型レンズ１２２は、厚さ０．５ｍｍの半絶縁性シリコンで形成されている。半絶縁性シリコンは、テラヘルツ帯の吸収が非常に小さいので、入射したテラヘルツ波を効率良くテフロン製ファイバー１１０へ伝播できる。また、材料コストが安く、さらに加工性が高いので、安価かつ容易に製造できる。

ＡＲコート膜１２３は、光学素子基板１２１の出射面にラッピングにより形成されている。つまり、光学素子基板１２１の出射面は、ＡＲコート膜１２３により鏡面仕上げが成されている。

以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置１００は、同心円状に形成された凹凸である回折格子型レンズ１２２を有することで、入射したテラヘルツ波における実効的な屈折率が変化する。その結果、テラヘルツ波の入射角を制御することができ、回折格子型レンズ１２２を用いない場合と比較して、テラヘルツ波の集光効率が約２倍に向上する。

なお、板状光学素子１２０は、熱硬化性接着材により、ヒートシンクに固定されている。

（作製法）
次に、上記したテラヘルツ波装置１００の作製方法について説明する。

まず、板状光学素子１２０は、両面ミラー研磨の半絶縁Ｓｉウエハーにフォトリソグラフィとエッチングにより、周期的凹凸である回折格子型レンズ１２２を形成することにより作製される。フォトリソグラフィはステッパを用いる。このマスクパターンには、同心円凹凸のパターンの他、同心円の中心位置を規定するパターンであるアライメントマークＭが各チップの四隅に配置されている。この板状光学素子１２０は、シリコン半球レンズのように１個１個が作製されるのではなく、約１００個が一括して作製されている。このため、光学的な均一性が高い。

次に、板状光学素子１２０におけるテラヘルツ波出射面に、ＳｉＯ２とＴｉＯ２によりテラヘルツ波に対する反射防止膜であるＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート膜１２３を形成する。この後、このウエハーを１ｘ１ｍｍにダイシングすることで、複数の板状光学素子１２０を作製する。

以上の工程は全て半導体の一般的な工程であるため、板状光学素子１２０の量産性は高い。

次に、このように作製された板状光学素子１２０のテフロン製ファイバー１１０への取り付けについて説明する。

まず画像認識により、テフロン製ファイバー１１０の中心部を検出する。次に、光学素子基板１２１のアライメントマークＭにより、回折格子型レンズ１２２の集光位置を検出する。このアライメントマークＭが付けられていることで、回折格子型レンズ１２２の集光位置は、半球レンズの集光位置と比較して、容易に、また、短時間で検出できる。

次に、テフロン製ファイバー１１０の先端に、熱硬化樹脂を滴下する。そして、画像認識により検出されたテフロン製ファイバー１１０の中心軸と、画像認識により検出された回折格子型レンズ１２２の集光位置との差が±１０μｍ以下になるように、調整して貼合わせる。

最後に、１２０℃に昇温して熱硬化樹脂を硬化させることにより、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置を作製する。

このように、光学素子基板１２１に付けられたアライメントマークＭを基に、板状光学素子１２０とテフロン製ファイバー１１０とを張合わせるので、板状光学素子１２０により集光されたテラヘルツ波が効率良くテフロン製ファイバー１１０を伝播する。

以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置１００は、板状光学素子１２０が板状であることから、加工が容易、かつ量産性が高いので、低コストで製造できる。また、板状光学素子１２０の光学的な均一性を保つことができる。また、ＡＲコート膜１２３が施されていることにより、光学素子基板１２１のテラヘルツ出射面で生じるテラヘルツ波の反射を抑制し、板状光学素子１２０のテラヘルツ波の透過率を向上させることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態に係るテラヘルツ波装置は、実施の形態１に係るテラヘルツ波装置１００とほぼ同じであるが、板状光学素子のテラヘルツ波出射面にも、同心円状の凹凸が形成されている点が異なる。以下、実施の形態１と比較して異なる点を中心に説明する。

図２は、本発明の実施の形態２に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す断面図である。なお、同図には、テラヘルツ波の放射源Ｌも示されている。

同図に示すように、板状光学素子２２０は、実施の形態１に係るテラヘルツ波装置２００の板状光学素子１２０と比較して、さらに、テラヘルツ波の出射面に形成された凹凸である回折格子型レンズ２２２を有する点が異なる。

この回折格子型レンズ２２２は、例えば回折格子型レンズ１２２と同様に構成され、回折格子型レンズ１２２及び光学素子基板１２１を介して入射したテラヘルツ波を集光する。

なお、回折格子型レンズ１２２は、実施の形態１において、単一のレンズと同様の集光機能を有する（すなわち一般の光学レンズと同様の機能）が、実施の形態２においては、放射源Ｌからのテラヘルツ波をコリメートする機能を有する。このコリメートされたテラヘルツ波を上述した回折格子型レンズ２２２が集光する。

つまり、板状光学素子２２０は、２つのレンズの機能を併せ持っている。このような構成にすることにより、放射源Ｌから放射されたテラヘルツ波ＴＷを簡素な光学系でテフロン製ファイバー１１０に集光させることができる。

以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置２００は、放射源Ｌから放射されたテラヘルツ波ＴＷを、簡易な光学系で、テフロン製ファイバー１１０に集光することができる。

さらに、テラヘルツ波装置２００は、回折格子型レンズ１２２及び２２２の凹凸形状を制御することで、凸レンズおよび凹レンズなど任意の組み合わせとして機能する板状光学素子２２０を実現することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態に係るテラヘルツ波装置は、実施の形態１に係るテラヘルツ波装置１００と比較して、板状光学素子１２０を備えず、テフロン製ファイバーの端面に同心円状の凹凸が形成されている点が異なる。以下、実施の形態１と比較して異なる点を中心に述べる。

図３Ａは、本発明の実施の形態３に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す斜視図であり、図３Ｂは断面図である。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置３００は、テフロン製ファイバー３１０である。このテフロン製ファイバー３１０は、テラヘルツ波が入射する端面に同心円状に形成された凹凸である回折格子型レンズ３２２を有する。

回折格子型レンズ３２２は、同心円状に形成された凸部３２２ａ及び凹部３２２ｂを有し、実施の形態１に係るテラヘルツ波装置１００における回折格子型レンズ１２２と同様に、入射したテラヘルツ波を集光する。この回折格子型レンズ３２２は、ナノインプリントによるレジストパターン形成とドライエッチにより形成される。

以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置３００は、テフロン製ファイバー３１０のテラヘルツ波入射側の端面に直接形成された凹凸である回折格子型レンズ３２２を有する。これにより、テラヘルツ波装置３００は、実施の形態１に係るテラヘルツ波装置１００のように板状光学素子１２０とテフロン製ファイバー１１０とを貼合わせる必要がないので、大幅な低価格化を実現できる。

また、テラヘルツ波装置３００は、テフロン製ファイバー３１０のテラヘルツ波入射側の端面に直接形成された凹凸である回折格子型レンズ３２２の回折効果により、入射するテラヘルツ波ＴＷの入射角を変えることができる。

（実施の形態４）
本実施の形態に係るテラヘルツ波装置は、ほぼ実施の形態１と同様であるが、導波路構造体として、テフロン製ファイバーに代わりテラヘルツ放射体を備え、テラヘルツ放射体で放射されたテラヘルツ波を、板状光学素子を介して放射する点が異なる。以下、実施の形態１と比較して異なる点を中心に説明する。

図４は、本発明の実施の形態４に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す断面図である。同図に示すテラヘルツ波装置４００は、実施の形態１に示すテラヘルツ波装置１００のテフロン製ファイバー１１０に代わり、テラヘルツ放射体４１０を備える点が異なる。このテラヘルツ放射体４１０は、テラヘルツ波を生成して出射面へ伝播する導波路構造体である。

テラヘルツ放射体４１０は、導電性ＧａＡｓ基板上に、下部電極、超格子層及び上部電極が順に形成されている構造を有する。

超格子層は、ＡｌＧａＡｓ層（１５Å）、ＧａＡｓ層（２５Å）、ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成１５％、２０Å）、ＧａＡｓ層（４０Å）、ＡｌＧａＡｓ層（１５Å）から構成されている。この超格子層の１周期は１１５Åであり、トータル９００周期（＝１０．３μｍ）形成されている。この超格子層は、幅２０ミクロンのストライプをエッチングで形成し、へき開により長さ１．５ｍｍの共振器が形成されている。

また、導電性ＧａＡｓ基板は、インジウムを用いて銅製ヒートシンクに固定されている。

このように構成されたテラヘルツ放射体４１０は、「サブバンド間遷移レーザ」として広く知られている。このテラヘルツ放射体４１０は、例えば３ＴＨｚのテラヘルツ波を出射面（図４における右端面）から放射する。

板状光学素子１２０の構成は実施の形態１と同様であるが、テラヘルツ放射体４１０で放射されたテラヘルツ波を放射する点が異なる。つまり、テラヘルツ放射体４１０で放射されたテラヘルツ波は、ＡＲコート膜１２３側を入射面として板状光学素子１２０へ入射し、回折格子型レンズ１２２側を出射面として板状光学素子１２０から出射する。このような板状光学素子１２０を用いることで、テラヘルツ波装置４００は、テラヘルツ放射体４１０で放射されたテラヘルツ波を狭角化して放射できる。

この板状光学素子１２０の焦点、すなわち回折格子型レンズ１２２の焦点と、テラヘルツ放射体４１０の導波路、すなわち超格子層の中心軸とは、一致するように形成されている。

以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置４００は、放射面に回折格子型レンズ１２２を備え、その回折格子型レンズ１２２の集光位置と、テラヘルツ放射体４１０の導波路の中心軸とが一致するように形成されているので、テラヘルツ波の出力が向上する。例えば、上記のようなテラヘルツ波装置４００の場合、テラヘルツ出力は約７倍に向上した。これは、放射角が狭角化し、測定系との光学結合が向上したためである。

（作製法）
次に、上述したテラヘルツ波装置４００の作製方法について説明する。

まず、テラヘルツ放射体４１０の作製方法について述べる。最初に、ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓをエピタキシャル成長させる。次に、表面に下部電極である下側Ａｕを蒸着したのち、導電性ＧａＡｓ基板（両面にＡｕ電極を形成済み）をウエハーボンディング法により貼り付ける。更に、裏面研磨と選択エッチングによりＧａＡｓ基板を除去した後、幅２０ミクロンのストライプをエッチングし、上部電極である上側Ａｕを蒸着する。最後に、へき開により長さ１．５ｍｍの共振器を形成することでテラヘルツ放射体４１０を作製する。

このように作製されたテラヘルツ放射体４１０への板状光学素子１２０の取付は以下のように行う。

まず画像認識により、ストライプの中心部（発光部）を検出する。または、レーザチップの電極に予め、発光部を規定する認識マークを形成しておいてもよい。次に、板状光学素子の認識マークにより、板状光学素子１２０の集光位置を検出する。半球レンズに比べ、集光位置が容易に、また、短時間で検出できる。次に銅ステムのテラヘルツ放射体を取り付けた近傍に、熱硬化樹脂を滴下する。そして、ストライプの中心部と板状光学素子１２０の集光位置との差が±１０μｍ以下になるように、調整し、貼合わせ、１２０℃に昇温して樹脂を硬化させることで、テラヘルツ放射体４１０へ板状光学素子１２０を取り付ける。

以上のような工程により、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置４００を作製する。

（実施の形態５）
本実施の形態に係るテラヘルツ波装置５００は、実施の形態２の係るテラヘルツ波装置２００とほぼ同じであるが、テフロン製ファイバー１１０に代わり、実施の形態４に係るテラヘルツ波装置４００と同様にテラヘルツ放射体４１０を備える点が異なる。以下、実施の形態２及び実施の形態４と異なる点を中心に説明する。

図５は、本発明の実施の形態５に係るテラヘルツ波装置の一例を示す断面図である。なお、同図には、テラヘルツ波装置から放射されたテラヘルツ波を受光する受光素子ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）も示されている。

図５に示すテラヘルツ波装置５００は、テラヘルツ放射体４１０から放射されたテラヘルツ波を回折格子型レンズ２２２でコリメートし、コリメートされたテラヘルツ波を回折格子型レンズ１２２で受光素子ＰＤへ集光する。このような構成にすることにより、テラヘルツ放射体４１０から放射されたテラヘルツ波の放射形状を任意に制御することが可能となり、その他に光学系を必要とすることなく受光素子ＰＤに集光させることができる。

以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置５００は、テラヘルツ放射体４１０から放射されたテラヘルツ波を、簡易な光学系で受光素子ＰＤに集光することができる。

（実施の形態６）
本実施の形態に係るテラヘルツ波装置は、実施の形態４に係るテラヘルツ波装置４００と比較して、板状光学素子１２０を備えず、テラヘルツ放射体の端面に同心円状の凹凸が形成されている点が異なる。以下、実施の形態４と比較して異なる点を中心に述べる。

図６Ａは、本発明の実施に形態６に係るテラヘルツ波装置の構成の一例を示す斜視図であり、図６Ｂはその断面図である。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置６００は、テラヘルツ放射体６１０である。このテラヘルツ放射体６１０自体の構成は実施の形態４及び５に示したテラヘルツ放射体４１０の構成とほぼ同じである。ただし、テラヘルツ波ＴＷを出射する端面に凹凸を形成していている。具体的には、テラヘルツ放射体６１０は、導電性ＧａＡｓ基板６１１と、下部電極６１２と、超格子層６１３と、上部電極６１４とが順に積層され、このテラヘルツ放射体６１０の端面に同心円状の凹凸が形成されている。

超格子層６１３は、平坦部６１３ａ及び回折格子型レンズ６１３ｂを有し、この回折格子型レンズ６１３ｂが同心円状に形成された凹凸である。この回折格子型レンズ６１３ｂは、ナノインプリントによるレジストパターン形成とドライエッチにより形成される。

実施の形態４で示した回折格子型レンズ１２２は集光機能（すなわち一般の光学レンズと同様の機能）を有していたが、回折格子型レンズ６１３ｂは、回折機能によりテラヘルツ波の放射角を変える。よく知られているように、回折方向は凹凸の周期によって異なり、凹凸の周期を調整したパターンを形成することにより、各場所における回折方向を、放射角が狭くなるように調整できる。その結果、本実施の形態に示すテラヘルツ波装置６００は、回折格子型レンズ６１３ｂを備えない場合と比較して、放射するテラヘルツ波ＴＷを狭放射角化でき、これによりテラヘルツ波ＴＷの出力が６倍に向上した。

以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波装置６００は、テラヘルツ放射体６１０の端面に直接凹凸を形成するため、実施の形態４のように板状光学素子１２０をテラヘルツ放射体に貼合わせる必要がなく、大幅な低価格化を実現できる。

以上、本発明に係るテラヘルツ波装置について、各実施の形態に基づき説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を当該実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、上記説明において、テラヘルツ放射体として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を用いたが、窒化物半導体（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）やＩｎＡｌＡｓなどの材料でも同様の効果が得られる。

また、板状光学素子材料として、半絶縁性Ｓｉを用いたが、ポリエチレン、ポリスチレン、ＭｇＯなどを用いても同様の効果が得られる。

また、アライメントマークＭの配置は四隅でなくとも構わないし、アライメントマークＭの個数は１つの板状光学素子に４つでなく１つでも２つでも良い。

本発明を用いると、集光化または狭放射角化が可能なテラヘルツ波装置を量産性高く、また、低コストで実現でき、産業上の利用価値は高い。

１００、２００、３００、４００、５００、６００ テラヘルツ波装置
１１０、３１０ テフロン製ファイバー
１２０、２２０ 板状光学素子
１２１ 光学素子基板
１２２、２２２、３２２、６１３ｂ 回折格子型レンズ
１２２ａ、３２２ａ 凸部
１２２ｂ、３２２ｂ 凹部
１２３ ＡＲコート膜
４１０、６１０ テラヘルツ放射体
６１１ 導電性ＧａＡｓ基板
６１２ 下部電極
６１３ 超格子層
６１４ 上部電極
Ｌ 放射源
ＰＤ 受光素子
ＴＷ テラヘルツ波

Claims (9)

1. テラヘルツ波を伝播する導波路構造体と、
   板状に形成され、表面が導波路構造体の入射面及び出射面の少なくとも一方に接する光学素子とを備え、
   前記光学素子の裏面は、第１凸部が形成され、
   前記第１凸部の幅は、前記テラヘルツ波の波長以下である
   テラヘルツ波装置。
2. 前記光学素子の裏面は、複数の前記第１凸部が同心円状に形成され、
   前記テラヘルツ波の波長をλ、焦点距離をｆ、隣接する前記第１凸部間の外周の半径差をａ、前記光学素子の屈折率をｎとするとき、外周の半径がｒ＋ａである第１凸部の幅Ｗは、
   Ｗ＝ａ（１−ｎｒ２／（２λｆ））
   を満たす請求項１に記載のテラヘルツ波装置。
3. 前記光学素子の表面は、第２凸部が形成され、
   前記第２凸部の幅は、前記テラヘルツ波の波長以下である
   請求項２に記載のテラヘルツ波装置。
4. 複数の前記第１凸部は、前記テラヘルツ波を焦点に集光し、
   前記光学素子は、さらに、前記焦点の位置を規定するマークが形成されている
   請求項２又は３に記載のテラヘルツ波装置。
5. 前記光学素子は、半絶縁性シリコンにより形成されている
   請求項２〜４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波装置。
6. 前記テラヘルツ波装置はさらに、
   前記光学素子の表面上に形成され、前記テラヘルツ波の反射を防止する反射防止膜を有する
   請求項５に記載のテラヘルツ波装置。
7. 前記導波路構造体の入射面及び出射面の少なくとも一方の面積は、前記光学素子の表面の面積よりも小さい
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波装置。
8. テラヘルツ波を伝播する導波路構造体を備え、
   前記導波路構造体の入射面及び出射面の少なくとも一方に凸部が形成され、
   前記凸部の幅は、前記テラヘルツ波の波長以下である
   テラヘルツ波装置。
9. 前記端面は、複数の前記凸部が同心円状に形成され、
   前記テラヘルツ波の波長をλ、焦点距離をｆ、隣接する前記凸部間の外周の半径差をａ、前記光学素子の屈折率をｎとするとき、外周の半径がｒ＋ａである凸部の幅Ｗは、
   Ｗ＝ａ（１−ｎｒ２／（２λｆ））
   を満たす請求項８に記載のテラヘルツ波装置。

Images