JP2012191520A - テラヘルツ無線通信方式 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】テラヘルツ発振素子38を備えるテラヘルツ送信器100と、テラヘルツ検出素子44を備えるテラヘルツ受信器200とを備え、テラヘルツ発振素子38は、負性微分抵抗領域(NDR)に動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ電磁波を発生すると共に、テラヘルツ検出素子44は、テラヘルツ発振素子38から発生されたテラヘルツ電磁波を検出するテラヘルツ無線通信方式。
【選択図】図12
Description
実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式に適用可能なテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰構造は、図1に示すように表され、図1のI−I線に沿う模式的断面構造は、図2(a)に示すように表され、図1のII−II線に沿う模式的断面構造は、図2(b)に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式に適用可能なテラヘルツ発振素子として、共鳴トンネルダイオード(RTD)の模式的断面構造は、図3(a)に示すように表され、その変形例の模式的断面構造は、図3(b)に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式に適用可能なテラヘルツ発振素子の模式的回路構成は、図4(a)に示すように、能動素子90を構成するダイオードと、MIMリフレクタ50を構成するキャパシタCMの並列回路によって表される。第1の電極4にはダイオードのカソードが接続され、第2の電極2には、ダイオードのアノードが接続され、第1の電極4にはマイナスの電圧、第2の電極2にはプラスの電圧が印加される。発振状態においては、ホーン開口部の開口方向であるY軸方向に電磁波(hν)が指向性良く伝播される。
Y=Yd+Yc・Ya・Ym/(Yc・Ya+Ya・Ym+Yc・Ym)
で表される。ここで、Yd=−Gd+jωCd、Yc=1/Rc+jωCc、Ym=1/(Rm+jωLm)であり、Yaはアンテナ系のアドミッタンス、ωは発振角周波数を表す。各パラメータは、能動素子90を構成するダイオード(RTD)の物性値から求めることができる。また、発振条件Re(Y)≦0,Im(Y)=0を解くことによって、発振周波数、発振出力が得られる。
実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式によって得られたアイパターン例は、図13に示すように表される。図13の例では、搬送波周波数は300GHzであり、1.5Gbit/sのアイダイヤグラムが得られている。室温動作において、エラービットの無い非圧縮のHDTV(High Definition TeleVision)信号のワイヤレス伝送を確認している。
実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式に適用可能な変形例1に係るテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰構造は、図14に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式に適用可能な変形例2に係るテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰構造は、図15に示すように表され、また、図15に対応した第1の電極4、第2の電極2aおよび半導体層91aのパターン構造の模式的平面図は、図16に示すように表される。また、図16のIII−III線に沿う模式的断面構造は、図17(a)に示すように表され、図16のIV−IV線に沿う模式的断面構造は、図17(b)に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式に適用可能な変形例3に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図21(a)に示すように表され、変形例4に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図21(b)に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式に適用可能な変形例5に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図22に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式に適用可能な変形例6に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図23に示すように表される。
上記のように、実施の形態に係るテラヘルツ無線通信方式について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
2、2a…第2の電極
3…絶縁層
4、4a、4b、4c…第1の電極
5,6…凹部
7…凸部
8…突起部
9…層間絶縁膜
10…絶縁体基板
13A,13B…スタブ
15…直流電源
21,22,41,42…スロットライン電極
30…パルスパターン発生器
32…増幅器
34…バイアスT回路
36…直流バイアス回路
38…テラヘルツ発振素子
40…ホーンアンテナ
44…テラヘルツ検出素子
46…プリアンプ
48…リミッティング増幅器
50…MIMリフレクタ
52…オシロスコープ
54…エラー検出器
60…共振器
70,71,72,73,74…導波路
80,81,82,83,84…ホーン開口部
90…能動素子
91a…半導体層
100…テラヘルツ送信器
200…テラヘルツ受信器
Claims (15)
- テラヘルツ発振素子を備えるテラヘルツ送信器と、
テラヘルツ検出素子を備えるテラヘルツ受信器と
を備え、前記テラヘルツ発振素子は、負性微分抵抗領域に動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ電磁波を発生すると共に、前記テラヘルツ検出素子は、前記テラヘルツ発振素子から発生されたテラヘルツ電磁波を検出することを特徴とするテラヘルツ無線通信方式。 - 前記テラヘルツ送信器は、
搬送波信号を発生するパルスパターン発生器と、
前記パルスパターン発生器に接続され、搬送波信号を増幅して入力電圧を出力する増幅器と、
所定のオフセット電圧を出力する直流バイアス回路と、
前記増幅器および前記直流バイアス回路に接続され、前記入力電圧が重畳された前記オフセット電圧を出力するバイアスT回路と
を備え、前記テラヘルツ発振素子は、前記バイアスT回路に接続され、前記入力電圧が重畳された前記オフセット電圧を受信することを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ無線通信方式。 - 前記テラヘルツ受信器は、
前記テラヘルツ送信器から発生されたテラヘルツ電磁波を受信するテラヘルツ検出素子と、
前記テラヘルツ検出素子に接続されたプリアンプと、
前記プリアンプに接続されたリミッティング増幅器と
を備えることを特徴とする請求項1または2に記載のテラヘルツ無線通信方式。 - 前記テラヘルツ検出素子は、前記テラヘルツ電磁波を受信するためのホーンアンテナを備えることを特徴とする請求項3に記載のテラヘルツ無線通信方式。
- 前記リミッティング増幅器に接続されたオシロスコープおよびエラー検出器を備えることを特徴とする請求項3に記載のテラヘルツ無線通信方式。
- 前記テラヘルツ発振素子は、共鳴トンネルダイオードを備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のテラヘルツ無線通信方式。
- 前記テラヘルツ検出素子は、ショットキーバリアダイオードを備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のテラヘルツ無線通信方式。
- 前記テラヘルツ発振素子は、テフロン基板上に配置されたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のテラヘルツ無線通信方式。
- 前記テラヘルツ発振素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第2の電極と、
前記第2の電極上に配置された絶縁層と、
前記第2の電極に対して前記絶縁層を介して配置され、かつ前記半導体基板上に前記第1の電極に対向して配置された第1の電極と、
前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、
前記MIMリフレクタに隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ無線通信方式。 - 前記テラヘルツ発振素子は、
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、
前記第1の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、
前記第2の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、
前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ無線通信方式。 - 前記テラヘルツ発振素子は、
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、
前記第1の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、
前記第2の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁体基板上に前記第1の電極に隣接し、かつ前記第2の電極とは反対側に前記第1の電極に対向して配置された第1スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に前記第2の電極に隣接し、かつ前記第1の電極とは反対側に前記第2の電極に対向して配置された第2スロットライン電極と、
前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、
前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1導波路と、
前記第1導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2導波路と、
前記第2導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3導波路と、
前記第3導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3ホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ無線通信方式。 - 前記テラヘルツ発振素子は、
前記絶縁体基板上に第1スロットライン電極に隣接し、かつ前記第1の電極とは反対側に前記第1スロットライン電極に対向して配置された第3スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に第2スロットライン電極に隣接し、かつ前記第2の電極とは反対側に前記第2スロットライン電極に対向して配置された第4スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第1スロットライン電極と前記第3スロットライン電極間に配置された第4導波路と、
前記第4導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1スロットライン電極と前記第3スロットライン電極間に配置された第4ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第2スロットライン電極と前記第4スロットライン電極間に配置された第5導波路と、
前記第5導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第2スロットライン電極と前記第4スロットライン電極間に配置された第5ホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項11に記載のテラヘルツ無線通信方式。 - 前記能動素子は、共鳴トンネルダイオード、タンネットダイオード、インパットダイオード、GaAs系電界効果トランジスタ、GaN系FET、高電子移動度トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのいずれかであることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載のテラヘルツ無線通信方式。
- 前記ホーン開口部は、開口ホーンアンテナを構成することを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載のテラヘルツ無線通信方式。
- 前記絶縁体基板は、前記半導体層よりも低誘電率材料の基板からなることを特徴とする請求項10〜12のいずれか1項に記載のテラヘルツ無線通信方式。
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