JP2014501053A - テラヘルツ放射線に対するワイヤ型ウェーブガイド - Google Patents
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Abstract
低い曲げ損失及び大きな帯域幅で数メートルの長い距離にわたりテラヘルツ範囲における電磁波をガイドするために、テラヘルツ範囲における電磁波が、コア構造及び少なくとも１つの閉じ込め構造を持つワイヤ内に結合されることができ、前記閉じ込め構造が、前記ワイヤの長さに沿って連続的に延在する装置、システム及び方法が提供される。
Description
本発明は、テラヘルツ範囲における電磁波をガイドする装置、システム及び方法に関する。
電磁放射線の自由空間伝搬は、現代技術において幅広く使用されている。一般的な応用は、例えば、衛星通信、テレビ信号の放送及びレーダである。多くの場合、それにもかかわらず、波のガイドされる伝搬は、不可欠である。例は、長距離ファイバ光学通信及びテレビ信号の同軸ケーブルガイドである。光学（可視及び赤外）又はマイクロ波信号のガイドされる伝搬は、波が一次元における伝搬に閉じ込められる光ファイバ及びマイクロ波ウェーブガイドの発明でずっと以前に解決された問題である。市販の同軸ケーブルは、６７ＧＨｚまでの放射線を伝達することができ、より高い周波数に対して、矩形の金属ウェーブガイドは、信号の帯域幅が比較的狭い場合に、適切であるとみなされる。
過去３０年において、テラヘルツ（ＴＨｚ）放射線が、可能な科学的及び商業的応用の幅広い範囲に対して科学技術コミュニティの関心を引き付けている。テラヘルツ放射線は、サブミリ波放射線とも称される、テラヘルツ範囲、すなわち１００ＧＨｚないし３ＴＨｚの電磁波に関する。テラヘルツ帯域は、マイクロ波範囲の高周波端と遠赤外光の長波長端との間に位置する。複数の分子の振動モードがスペクトルのこの部分にあり、水がこれらの周波数における波を非常に容易にブロックするという事実は、テラヘルツ放射線を、通常は赤外、Ｘ線又は他のタイプのプローブ信号ではアクセスできない材料の分光特性を調査するのに適切なプローブにする。更に、テラヘルツ放射線は、非電離であり、したがって組織及びＤＮＡを損傷することを期待されない。一部の周波数が、数ミリメートルの組織を貫通することができ、反射されて戻るので、テラヘルツ放射線は、医用撮像に対しても使用される。しかしながら、このタイプの放射線のポテンシャル及びユニークさは、現代では明らかであるが、商業的テラヘルツ撮像及び分光システムは、依然として市場においてあまり一般的ではない。これに対する主な理由の１つは、市場応用に対する妥当なコストにおける装置でテラヘルツ放射線を生成、検出及び特にガイドする固有の技術的困難性である。更に、テラヘルツ撮像及び分光法において一般に必要とされるテラヘルツ信号の帯域幅は、極度に広い。したがって、テラヘルツ放射線に対するウェーブガイドは、大きな帯域幅に適していなければならない。
近年、サブピコ秒テラヘルツパルスをガイドする平行板ウェーブガイドが、提案されている。しかしながら、ビームが、一方向のみに移動することができ、歪が、数センチメートルより上の長さに対してかなり大きくなるので、このタイプのウェーブガイドは、分光又は撮像応用に対して容易に製造されることができない。更に、このタイプのウェーブガイドにおいて、１つの次元はガイドされないままであり、これは、ビームの回折及びより長い長さに対する関連する損失を引き起こす。平行板ウェーブガイドの改良として、平行板ウェーブガイドと標準的なＭＥＭＳ技術を使用して加工される金属ポストとの組み合わせが、提案されている。微細加工技術を使用して達成される帯域幅が比較的大きい（例えば、０．５ＴＨｚのオーダ）としても、このウェーブガイドは、矩形ウェーブガイドに対して典型的であるので、依然としてカットオフ周波数の問題により影響を受ける。更に、このウェーブガイドは、数メートルのオーダの伝搬距離を必要とする他の応用に対して比較的高価かつ不便なままである。また、このような平行板ウェーブガイドは、幾何学的寸法及び低い柔軟性のため、応用において強力に限定される。
Letters to NatureにおけるKaglin Wang及びDaniel M. Mittlemanによる記事"Metal wires for terahertz waveguiding"に記載された新しいアプローチにおいて、テラヘルツ波は、金属ワイヤを用いてガイドされる。しかしながら、この装置の問題は、ガイド能力が非常に限定的であり、低い曲げ半径で前記ワイヤを曲げる場合に、ガイドされる磁場が空気中に容易に逃げ、これは、高い曲げ損失により実際的な応用の限界を引き起こす。更に、前記放射線は、前記ワイヤの内側に閉じ込められないが、その表面に集中して留まり、例えば人体における内視鏡的な応用において、分析により関与されない体の部分と容易に相互作用することができる。
従来技術の上記不利点及び問題の観点から、本発明の目的は、広い帯域幅、長い伝搬距離及び低い曲げ損失が妥当なコスト及び製造努力で達成可能である、テラヘルツ範囲における電磁波をガイドする装置、システム及び方法を提供することである。
前記目的は、独立請求項のフィーチャにより解決される。
本発明は、１００ＧＨｚ以下から数テラヘルツまでの周波数を持つテラヘルツ放射線の伝搬する電磁場をサブ波長寸法を持つ空間に閉じ込めるアイデアに基づく。これは、ガイドされる放射線の最小波長より小さいサブ波長構造を持つ断面を持つワイヤを使用することにより達成される。例えば、テラヘルツ放射線の最長波長に対応する１００ＧＨｚの周波数を持つテラヘルツ放射線は、１ｍｍの自由空間における波長を持つ。したがって、前記ワイヤは、１ｍｍより小さい構造を有するべきである。
本発明の一態様において、ワイヤを有するテラヘルツ範囲における電磁波をガイドする装置が提供される。前記ワイヤは、コア構造及び少なくとも１つの閉じ込め構造を含み、前記閉じ込め構造は、前記ワイヤの長手方向に沿って連続的に延在する。前記閉じ込め構造は、これによりテラヘルツ放射線が閉じ込められることができる前記コア構造の表面上の構造を示す。前記閉じ込め構造は、前記ワイヤの長さに沿って連続的に延在するので、前記ワイヤの断面形状は、前記ワイヤの長さに沿ったいかなる点においても一定のままである。例えば、工業的に製造された描かれたワイヤは、前記装置の製造コストを減少するために使用されることができる。こうして、テラヘルツ波は、数メートルの距離にわたり無視できる損失でガイドされることができる。
好適な実施例において、前記閉じ込め構造は、少なくとも１つの溝又はリブを含む。前記閉じ込め構造が溝として設計される場合、差込（insertion）又はくぼみ（depression）が、前記ワイヤの前記コア構造において形成される。前記閉じ込め構造が、リブとして設計される場合、突起（protrusion）又は出っ張り（bulge）が、前記コア構造から突き出して前記ワイヤに沿って形成される。好ましくは、前記閉じ込め構造は、角のある断面形状、例えば実質的に三角形、矩形及び／又は多角断面を持つ。場合により、前記閉じ込め構造は、少なくとも１つの溝及び少なくとも１つのリブからなり、したがって、例えばＮ字型又はＷ字型のようである。
更に、前記コア構造は、実質的に円形断面を持ちうる。すなわち、前記コア構造は、前記閉じ込め構造が位置する部分を除いて、すなわち溝の場合に切欠き部分又はリブの場合に出っ張り部分を除いて、円形断面を持つ。代替的には、前記コア構造は、実質的に三角形、矩形、多角又は星状断面を持ちうる。三角形コア構造の場合、前記閉じ込め構造は、三角形の頂点にありうる。同様に、多くの尖点を持つ星状コア構造の場合、刻み目（indentations）が、溝型閉じ込め構造として機能しうる、及び／又は前記尖点が、リブ型閉じ込め構造として機能しうる。更に、前記コア構造及び／又は前記ワイヤの断面は、非対称でありうる。
好ましくは、前記閉じ込め構造は、サブ波長寸法を持つ少なくとも１つの次元を持つ。したがって、前記閉じ込め構造の断面は、ガイドされる電磁波の波長より小さい少なくとも１つの部分を持つ。電磁波の大きな帯域幅が、ガイドされる場合、前記閉じ込め構造は、前記帯域幅の最小波長より小さい少なくとも１つの次元を持ちうる。好ましくは、前記断面における前記閉じ込め構造の寸法は、前記コア構造の直径より小さい。
前記コア構造及び前記閉じ込め構造の少なくとも１つは、導電性材料及び／又は半導体材料で作られうる。前記コア構造及び／又は前記閉じ込め構造が、導電性材料で作られる場合、これは、いかなる金属を含んでもよく、好ましくは同又はステンレス鋼を含みうる。前記コア構造及び前記閉じ込め構造の少なくとも１つに対して半導体を使用する場合、前記ワイヤの電気特性は、ドープ剤を使用して調整されうる。場合により、前記コア構造及び前記閉じ込め構造は、同じ材料で作られる。銅のような一般的な容易に加工可能な材料を使用することにより、製造コストは、減少されることができる。
好適な実施例において、前記ワイヤは、可撓性である。したがって、前記ワイヤは、小さな曲げ半径で折り曲げられることができるように設計されうる。したがって、これは、例えばテラヘルツ内視鏡又はカテーテルにおいて応用される場合にアクセスするのが難しい検査領域までテラヘルツ波をガイドするのに使用されうる。
更に、前記ワイヤは、前記ワイヤに沿って伝搬する電磁波が、前記閉じ込め構造内に及び／又は前記ワイヤの断面内に実質的に閉じ込められる少なくとも１つの伝搬モードを持つように設計されうる。例えば、Ｖ字型を持つ溝型閉じ込め構造の場合、ガイドされる電磁波の伝搬モードは、前記Ｖ字型の底部に閉じ込められうる。この場合、これは、前記ワイヤの断面内にも閉じ込められる。こうして、曲げ損失及び前記ワイヤを囲む環境との不所望な相互作用が減少されることができる。したがって、前記装置は、人体における内視鏡応用に適している。
前記ワイヤは、追加的に、コーティング、例えば前記テラヘルツ波を関心領域にガイドする場合に放射線損失を減少させる低損失コーティングを有しうる。前記コーティングに対する可能な材料は、ベンゾシクロブテン、ポリスチレン、ポリエチレン及び他の低損失誘電体又はこれらの組み合わせを含む。これは、前記ガイドされる放射線のより良好な閉じ込めをも生じる。代替的には、前記コーティングは、金属で作られうる。こうして、前記コーティングは、前記ワイヤによりガイドされる電磁波が前記ワイヤの外側の材料と相互作用することを防ぐことができる。したがって、前記ワイヤに沿ったテラヘルツ放射線に対する意図されない露出は、避けられることができる。また、前記ガイドされるテラヘルツ放射線のエネルギ損失及び特に曲げ損失は、減少されることができ、結果として増大された伝搬距離を生じる。
有利には、前記コーティングは、前記ワイヤの外面を形成しうる。したがって、これは、前記コア構造及び前記閉じ込め構造を囲む。例えば、前記閉じ込め構造が溝である場合、前記コーティングは、前記溝を満たしうる。他方で、前記閉じ込め構造がリブ型閉じ込め構造である場合、前記コーティングは、突出するリブ型閉じ込め構造及び前記コア構造を囲みうる。好ましくは、前記コーティングは、円形、三角形又は矩形断面形状を持ちうる。こうして、前記コーティングは、前記ワイヤ表面の角又は溝における材料の蓄積を防ぐことができ、したがって前記ワイヤの汚染を避けることができる。
前記ワイヤは、１より多い閉じ込め構造を有しうる。例えば、２つの閉じ込め構造は、前記ワイヤの反対側において前記ワイヤに沿って延在しうる。場合により、前記２つの閉じ込め構造は、前記ワイヤに沿って移動する電磁波の伝搬場が互いに結合されるように設計される。更に、前記ワイヤは、少なくとも２つの閉じ込め構造を有してもよく、少なくとも１つの閉じ込め構造が、テラヘルツソースから検査領域にテラヘルツ波を送信する送信チャネルとして機能し、少なくとも１つの他の閉じ込め構造は、前記検査領域から検出ユニットに電磁波を伝達する受信チャネルとして機能する。特に、４つの閉じ込め構造を用いて、例えば同時に信号を送信及び受信するように、独立に使用されることができる２つの別々の伝搬モードが、存在する。
他の例において、前記ワイヤは、例えば約９０度の角度で互いから離間された４つの閉じ込め構造を有しうる。ここで、前記閉じ込め構造のうち、互いに面している２つは、閉じ込め構造の対を形成してもよく、これらの閉じ込め構造に沿ってガイドされる電磁波は、互いに結合される。この場合、閉じ込め構造の一方の対は、関心領域に向けてテラヘルツ波を送信する送信チャネルとして使用されることができ、前記閉じ込め構造の他方の対は、前記関心領域から反射された電磁波を受信する受信チャネルとして使用されることができる。これは、特にテラヘルツ撮像に対して、例えば反射モードにおける分光又は内視鏡応用において、有用である。
医療介入に対して、前記装置は、更に、針及び／又はカテーテルを有してもよく、前記ワイヤは、前記針及び／又は前記カテーテルの中心孔の中に配置される。こうして、テラヘルツ内視鏡又はテラヘルツカテーテルが実現されることができる。加えて、鏡のような出力導波器が、前記ワイヤの一方の端部に設けられうる。
更に、前記装置は、医療撮像に対する内視鏡システムにおいて、テラヘルツ分光システムにおいて、及び／又は集積回路を使用するプローブステーションにおいて使用されることができるように設計されうる。サブ波長磁場閉じ込めを使用することにより、前記撮像及び分光システムの空間解像度は、増大されることができる。加えて、より長い伝搬距離が達成されることができ、テラヘルツソースと検査領域との間のより長い距離が可能になる。
本発明の他の態様において、テラヘルツ信号発生器、テラヘルツ信号検出器及び先行する記載の装置を有するテラヘルツ撮像用のシステムが、提供される。前記システムは、更に、前記テラヘルツ範囲の電磁波を前記装置の前記ワイヤ内に結合する少なくとも１つの結合ユニットを有しうる。場合により、同じ又は追加の結合ユニットが、前記関心領域から来る電磁波を前記テラヘルツ信号検出器内に結合するのに使用される。更に、フィルタユニット、信号プロセッサ、表示ユニット及びメモリ等が、設けられうる。このようなシステムは、医療撮像システム、例えば人体内での内視鏡応用に対して使用されうる。前記システムは、テラヘルツ撮像システム、例えば材料を分析する又はプローブステーションを使用する集積回路の高周波測定に対して、使用可能でもありうる。
本発明の他の態様において、テラヘルツ範囲における電磁波をガイドする方法が提供される。これに対し、テラヘルツ範囲における電磁波は、コア構造及びワイヤの長手方向に延在する少なくとも１つの閉じ込め構造を持つワイヤに結合される。上記のいずれかの実施例によって設計されることができる前記ワイヤを用いて、前記電磁波は、許容可能な損失で関心領域に向けてガイドされることができる。
図１において、本発明によるワイヤの断面図の可能な単純な形状が示されている。図１Ａにおいて、銅又は同様の良好導電材料から作られる円筒形導電ワイヤは、長手軸に沿って三角形Ｖ字溝２１を備える。半径ｒを持つワイヤ１００は、準円形コア構造１０からなり、前記溝の深度ｄ及び前記溝のオープニングアングル（opening angle）φを持つＶ字形溝２１が挿入される。溝２１は、ワイヤ１００の全体的な長さに沿って延在し、ワイヤ１００の断面は、ワイヤ１００の全体的な長さにわたり一定のままである。図１Ａに示される実施例において、溝２１は、テラヘルツ放射線を閉じ込めることができる閉じ込め構造として機能する。図１Ｂに示される他の実施例において、前記閉じ込め構造は、ワイヤ１００に沿って延在する三角形リブ２２として実現される。リブ２２は、オープニングアングルφ及び高さｄを持ち、円形コア構造１０から突き出ている。これらのＶ字形閉じ込め構造は、鋭いプレフォーム上で前記ワイヤをドラッグすることにより容易に製造されることができる。したがって、ワイヤ１００は、金属ワイヤの輪郭を描く一般的な製造技術により低コストで生成されうる。
数値シミュレーションは、高周波ウェーブガイドとして本発明によるワイヤを使用する可能性を示すように実行された。これらのシミュレーションにおいて、複数の伝搬モード、例えば準ＴＭ1、準ＴＭ2、Ｖ1、Ｖ2等が、識別されている。準ＴＭモードは、完全に円形のワイヤにおける基本横磁場（ＴＭ）モードの摂動を示し、これは、もはや非円形ワイヤに対する厳密に横磁場ではない。同様に、Ｖ1及びＶ2モードは、完全に円形のワイヤにおける２つのハイブリッドＨＥ11モードの摂動を示す。最も関心のあるモードは、しかしながら、Ｖ1モードであり、これは、本発明によるワイヤに沿って移動する場合にほとんど完全に閉じ込められる。
図２において、Ｖ1モードのポインティングベクトルの正規化されたｚ成分の対数が報告され、ｚ軸は投影面に垂直である。前記ポインティングベクトルは、電磁場のエネルギ束を表す。図２に示されるシミュレーションに対して、図１Ａに示される断面形状を持つ銅で作られたワイヤ１００が使用される。この例において、伝搬信号の周波数は、ｆ＝３００ＧＨｚであり、前記ワイヤの半径は、ｒ＝１．２ｍｍであり、溝２１の深度は、ｄ＝１ｍｍであり、オープニングアングルは、φ＝２５°である。したがって、図２に示されるように、Ｖ1モードの電磁場は、ワイヤ１００の断面内に、より正確には溝２１内に完全に閉じ込められる。したがって、これは、曲げ損失に対して感受性が低い。更に、前記閉じ込めは、伝搬する電磁場とワイヤ１００を囲む外的物体との間の相互作用を防ぐ。これは、人体の中での内視鏡応用においてワイヤ１００を使用する場合に、特に関連する。電磁波の他の伝搬モードは、良好に閉じ込められないので、外的材料に対する伝搬電磁波の相互作用は避けられず、曲げ損失は、より高い。
図３において、複数のモードに対する伝搬距離Ｌpが、前記閉じ込め構造の深度ｄの関数として示されている。前記伝搬距離は、１／ｅ倍で減衰する電磁強度に対する距離として規定される。図３において、前記シミュレーションは、図１Ａに示される三角形溝を持つ銅ワイヤ１００に対して計算され、ワイヤ半径はｒ＝１．２ｍｍであり、オープニングアングルはφ＝２５°であり、伝搬信号の周波数はｆ＝３００ＧＨｚであり、前記ワイヤの周囲は空気である。図３に見られるように、伝搬距離Ｌpは、前記閉じ込め構造の深度ｄとともに減少する。関心のある伝搬モード、すなわちＶ1モードは、０．６ｍｍより小さい溝２１の深度ｄに対して２ｍより大きい伝搬距離を持ち、１ｍｍの深度ｄに対して１．５ｍより大きい伝搬距離を持つ。典型的な伝搬信号が３００ＧＨｚの周波数を持ち、結果として自由空間において１ｍｍの波長を生じることに注意するのは重要である。図２に見られるように、前記信号は、溝２１の一部に閉じ込められ、伝搬及びサブ波長閉じ込めが達成される。したがって、テトラヘルツ範囲、すなわちミリメートル範囲の波長を持つ電磁波は、数メートルの相当な距離に対して低い損失でガイドされることができる。
図４は、前記ガイドされる電磁信号の周波数に対する伝搬距離Ｌpの依存性を示す。ここで、例えば３００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの周波数大きな帯域幅に対してさえ、伝搬距離Ｌpは、Ｖ1モードに対して実質的に一定のままである。ここで、本発明によるワイヤ型ウェーブガイドは、１００ＧＨｚから数テラヘルツまでの極度に大きな帯域幅を持つ信号を維持することができる。これは、分光又は撮像応用に対して特に有用であり、これらの応用は極度に大きな帯域幅を必要とする。
本発明によるワイヤ１００を含む装置の特徴は、図１Ａに示されるワイヤ１００の例を使用して上で説明されている。しかしながら、本発明は、このワイヤ形状に限定されない。対照的に、例えば図１Ｂ又は図５Ａ、６及び７に示されるように、ワイヤ１００の他の断面形状も使用されることができる。
図５Ａにおいて、準円形コア構造１０及び２つのＶ字形溝２１を持つワイヤ１００が示されている。溝２１は、異なる深度ｄ1及びｄ2並びに異なるオープニングアングルを持ちうる。ワイヤ１００の反対側において２つの閉じ込め構造を持つワイヤ型ウェーブガイドにおいて、前記閉じ込め構造の対に沿って移動する電磁信号は、結合されることができる。図５Ｂにおいて、異なるモードの伝搬距離Ｌp及び溝２１の深度ｄに対する前記伝搬距離の依存性は、二重溝ワイヤ１００に対して示されている。ここで、ワイヤ１００に沿って伝搬する電磁信号の周波数は３００ＧＨｚであり、溝２１は、等しい深度（ｄ＝ｄ1＝ｄ2）を持つ。以上のように、Ｖ1モードの伝搬距離は、溝深度ｄが約０．３ｍｍである場合に、４ｍより大きい。したがって、ガイド能力は、２つの閉じ込め構造を持つワイヤ１００において依然として存在する。
本発明によるワイヤ型ウェーブガイドの他の実施例において、閉じ込め構造、すなわち溝２１及びリブ２２の数は、２以上に増大されることができる。ワイヤ１００の断面形状に対する例は、図６、７及び８において示される。図６Ａにおいて、円形コア構造１０及び９０°の角度で互いに離間された２つの三角形リブ２２を持つワイヤ１００が示される。例えば図６Ａに示されるワイヤ１００のように、互いに結合された２つの独立した閉じ込め構造を持つワイヤ１００において、前記閉じ込め構造は、それぞれ別の送信及び受信チャネルとして使用されることができる。したがって、１つのチャネルは、関心領域に向けてテラヘルツ信号をガイドするのに使用されることができ、他のチャネルは、前記関心領域から信号検出器に戻る反射された信号を伝搬するのに使用されることができる。こうして、送信及び受信に対して別のウェーブガイドを必要とすることなしに、複雑な多重化技術が避けられることができる。
図６Ｂは、三角形形状を持つ溝２１及びリブ２２を持つワイヤ１００を典型的に示す。しかしながら、リブ２２及び溝２１は、異なる形状及び寸法を持つことができる。また、本発明は、前記閉じ込め構造のこの幾何学的構成に限定されないが、前記閉じ込め構造は、様々な形でコア構造１０の断面に適切に配置されることができる。
図６Ｃは、複数の閉じ込め構造を持つワイヤ１００の他の実施例を示す。図示される例において、４つの溝２１は、間に９０°の角度でコア構造１０の準円形断面に配置された規則的な間隔で離間される。上述のとおり、前記閉じ込め構造は、異なるサイズ及び形状並びに互いからの異なる距離を持つことができる。４つの閉じ込め構造を持つワイヤ１００に対して、互いに面する２つの閉じ込め構造は、それぞれ対を形成することができ、閉じ込め構造の各対は、別々の送信又は受信チャネルとして使用されることができる。例えば、１つのチャネルは、サンプルまでテラヘルツ信号発生器により送信される内視鏡プローブ信号をガイドするのに使用されることができ、他のチャネルは、同時に前記サンプルから信号検出器まで反射された信号を伝搬するのに使用されることができる。こうして、撮像応用は、本発明による単一のウェーブガイドのみを使用して可能である。
矩形閉じ込め構造を含む他の実施例は、図７Ａ−７Ｃに示されている。図７Ａにおいて、ワイヤ１００は、ワイヤ１００の長さに沿って延在する矩形溝２１を持つ準円形コア構造１０を持ち、図７Ｂに示されるワイヤは、矩形リブ２２を持つ。図７Ｃにおいて、更に、矩形及び三角形閉じ込め構造が組み合わされることができることが示されている。したがって、三角形、矩形又は多角形状を持ついかなる正（positive）又は負（negative）閉じ込め構造、すなわちリブ２２又は溝２１も、使用されることができる。
更に、図８に示されるように、ワイヤ１００のコア構造１０は、円形又は準円形断面に限定されない。例えば、図８Ａに示されるように、コア構造１０は、三角形断面を持つことができ、三角形の頂点は、正のリブのような閉じ込め構造２２として機能しうる。図８Ｂ及び８Ｃにおいて、星状断面を持つコア構造１０が示される。ここで、頂点は、リブのような閉じ込め構造２２として機能することができ、前記頂点の間の刻み目は、溝のような閉じ込め構造２１を表すことができる。図８Ｄに示される他の例において、矩形断面を持つコア構造１０が示される。ここで、溝２１及びリブ２２のような閉じ込め構造は、コア構造１０の表面上に形成されることができる。
本発明の他の態様において、ワイヤ１００は、図９に示されるように、コーティング３０を追加的に有しうる。図９Ａにおいて、Ｖ字形溝２１を持つ準円形コア構造１０は、コーティング３０により囲まれる。コーティング３０は、溝２１を満たし、これによりワイヤ１００が使用される場合に異物が前記溝に蓄積するのを防ぐ。コーティング３０は、放射線損失を減少し、より良好な閉じ込めをもたらす、いかなる低損失誘電体、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）又はポリエチレン若しくはポリスチレンのようなより安価な材料で作られることができる。代替的には、コーティング３０は、曲げ状態の下で放射線損失を低減するのに適した金属又は他の材料で作られてもよい。導電性材料の代わりに、半導体材料が、ワイヤ１００に対して使用されることができ、ドープレベルによるこれらのウェーブガイドの設計において追加の自由度を加える。図９Ｂにおいて、三角形リブ２２を持つ円形コア構造１０は、コーティング３０により囲まれる。コーティング３０が、ワイヤ１００のコア構造１０及び前記閉じ込め構造を囲み、ワイヤ１００の外面を形成する場合、放射線損失及びワイヤ１００の周囲との相互作用は、減少されることができる。したがって、コーティング３０を有するワイヤ１００に対して、テラヘルツ波は、前記閉じ込め構造にかかわらずワイヤ１００の断面内にほとんど完全に閉じ込められる。これは、コーティング３０なしのワイヤ１００の断面の中に電磁場を閉じ込める能力が失われるので、正の閉じ込め構造、すなわちリブ型閉じ込め構造２２に対して特に有用である。更に、コーティング３０を用いて、ワイヤ１００の外面は、滑らかにされることができ、例えば結果として不均一性のないワイヤ１００の円形断面を生じ、異物は、ワイヤ表面に堆積してワイヤ１００を汚染する可能性が低い。加えて、反復的使用、例えば内視鏡応用に対して、ワイヤ１００の洗浄は、より容易かつより効率的になる。
本発明によるワイヤ１００は、複数の応用に対する装置において使用されることができる。例えば、ワイヤ１００は、医療応用に対する装置に含まれうる。この場合、いずれかの上記の実施例によるワイヤ１００を有する装置は、カテーテル５０又は医療用針を更に含むことができる。本発明によるワイヤ型ウェーブガイドの可撓性、低い損失及び低い曲げ損失は、特にテラヘルツ内視鏡に適している。内視鏡応用に対して、ワイヤ１００は、図１０Ａに示されるように、人体の中に導入されるためにカテーテル５０の中心孔に配置されうる。出ていく電磁波を関心領域にフォーカスするために、ウェーブガイドワイヤ１００の先端は、先細にされる又は鋭くてもよい。加えて、前記装置は、人体の空洞の側面に向けて前記電磁信号を向けるために前記カテーテルの前端に出力導波器、例えば鏡を含みうる。本発明によるテラヘルツウェーブガイドの小さな直径及び前記閉じ込め構造の近くのガイドされるモードの強力な閉じ込めのため、カテーテル５０の中にワイヤ１００を配置し、これによりテラヘルツ波を前記カテーテル先端にガイドすることが可能であり、カテーテル５０は開口を持つ。ここで、前記テラヘルツ信号は、組織と相互作用し、ワイヤ１００の中に部分的に反射される。この場合、前記反射された信号のスペクトルは、観測下の組織の性質を決定するように測定されることができる。図１０Ｂにおいて、線Ａ−Ａ'に沿った図１０Ａに示される装置の断面が、示されている。カテーテル５０の内径は、コーティング３０、溝型閉じ込め構造２１及びコア構造１０を含むワイヤ１００の外径より大きい。
本発明の他の実施例において、ワイヤ１００は、分光又は撮像システムにおいて使用される。これに対して、ウェーブガイド装置１１１は、上記の実施例の１つによるワイヤ１００を含む。ウェーブガイド装置１１１は、結合ユニット２００を介してテラヘルツ発生器３００に接続されることができ、テラヘルツ発生器３００により発生された電磁波は、ワイヤ１００内に結合されることができる。前記検査領域から反射される電磁信号は、同じ結合ユニット２００を介してテラヘルツ検出器４００に結合されることができる。代替的には、ウェーブガイド装置１１１をテラヘルツ検出器４００に結合する第２の結合ユニット２００'が示される。前記検査領域から反射される電磁信号は、同じ結合ユニット２００を介してテラヘルツ検出器４００に結合されることができる。代替的には、第２の結合ユニット２００'は、ウェーブガイド装置１１１をテラヘルツ検出器４００に結合するために設けられうる。信号検出の後に、前記信号は、信号プロセッサ等を使用して分析される。もちろん、前記システムは、一般的な分光システムの他の構成要素、例えばメモリ及び表示ユニット等を含みうる。こうして、局所的テラヘルツスペクトルが、テラヘルツ発生器３００から離れた特定の場所に設けられることができる。上述のようなワイヤ１００を含む本発明によるウェーブガイド装置１１１は、高周波信号、すなわち１００ＧＨｚ以下から数テラヘルツまでの信号の低損失ウェーブガイドに対する一般的な目的に対して使用されることができる。
１つの応用において、このようなシステムは、組織分析に対する医療手術において使用されることができる。この場合、ウェーブガイド装置１１１は、医療用針又はカテーテル５０を含む医療介入装置であることができ、テラヘルツウェーブガイドワイヤ１００が、図１０に示されるように一体化される。しかしながら、記載されたワイヤ型ウェーブガイドは、テラヘルツ信号をガイドし、サブ波長寸法にフォーカスするために現在のテラヘルツ時間領域分光計に使用されることもできる。このシナリオにおいて、前記テラヘルツ信号は、初めにワイヤ１００内に結合され、ワイヤ１００の終端は、サンプルをスキャンするのに使用されることができる。テラヘルツ放射線は、一般的な時間領域多重化技術を使用して前記終端により又は上記のようにワイヤ１００の閉じ込め構造により形成された２つの独立チャネルを使用することにより発せられ、集められることができる。前記信号は、サブ波長寸法にフォーカスされるので、調査される表面の画像は、自由伝搬テラヘルツビームに基づく撮像システムを用いて得られるものより高い解像度を持ち、前記解像度は、使用される放射線の波長により、すなわちここではミリメートルのオーダに、制限される。本発明によるワイヤ１００及びワイヤ型ウェーブガイド装置１１１に対する他の応用は、プローブステーションを使用する集積回路の高周波測定の領域にある。最近、集積回路を用いる６７ＧＨｚより上の測定は、高度に実現不可能であり、同軸ケーブルの欠如により６７ＧＨｚより上で適切に動作することができる帯域において実行されなくてはならない。提案されたワイヤ型ウェーブガイドの使用は、既に存在する矩形ウェーブガイド及びカットオフ周波数より上の同軸ケーブルに対する適切かつ単純な置換でありうる。
本発明によると、ウェーブガイドワイヤの長手方向に沿ったテラヘルツ波の閉じ込め及び伝搬は、実質的な損失なしで数メートルの長い距離にわたり達成されることができる。一次元における伝搬に対するテラヘルツ放射線の閉じ込めは、少なくとも１つの正及び／又は負の閉じ込め構造、すなわちリブ又は溝を持つ境界のある断面を持つワイヤを用いて達成されることができる。このような次元制限ウェーブガイドの利点は、潜在的な応用及び平面ウェーブガイドと比較して異なる波現象の出現にある。したがって、１００ＧＨｚから数テトラヘルツまでの高周波及び広帯域信号を伝搬する高周波ウェーブガイドが、提案される。更に、前記ワイヤ型ウェーブガイドは、可撓性であるので、複数の応用分野を持ち、非常に多目的に使える。更に、本発明によるワイヤ型ウェーブガイドは、銅のような一般的な導体材料を使用することにより製造されることができる。したがって、製造コストは、標準的な銅ワイヤのものと同程度である。
Claims (15)
- テラヘルツ範囲における電磁波をガイドする装置において、前記装置が、
コア構造及び少なくとも１つの閉じ込め構造を持つワイヤ、
を有し、
前記閉じ込め構造が、前記ワイヤの長さに沿って連続的に延在する、
装置。 - 前記閉じ込め構造が、少なくとも１つの溝及び／又は少なくとも１つのリブを含む、請求項１に記載の装置。
- 前記コア構造が、実質的に円形の断面を持つ、及び／又は前記閉じ込め構造が、実質的に三角形及び／又は矩形断面を持つ、請求項１又は２に記載の装置。
- 前記閉じ込め構造の少なくとも１つの次元が、サブ波長寸法を持つ、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置。
- 前記コア構造及び／又は前記閉じ込め構造が、導電性材料、半導体材料、ドープ半導体材料、金属、銅及び／又はステンレス鋼で作られる、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ワイヤに沿ってガイドされる電磁波が、前記閉じ込め構造内に及び／又は前記ワイヤの断面内に実質的に閉じ込められる少なくとも１つの伝搬モードを有する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ワイヤが可撓性である、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ワイヤがコーティングを有する、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の装置。
- 前記コーティングは、前記ワイヤの断面が円形、三角形又は矩形の形状を持つように前記コア構造及び前記閉じ込め構造を囲む、請求項８に記載の装置。
- 前記コーティングが低損失コーティングである、及び／又は前記コーティングの材料が金属、ベンゾシクロブテン及び／又はポリエチレンを有する、請求項８又は９に記載の装置。
- 前記ワイヤが、互いに結合され、互いに面する閉じ込め構造の少なくとも１つの対を有する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の装置。
- 前記ワイヤが、それぞれ送信及び受信チャネルとして機能する少なくとも２つの閉じ込め構造を有する、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の装置。
- 前記装置が、医療介入用の針及び／又はカテーテルを有し、前記ワイヤの直径より大きい直径を持つ中心孔が、前記針及び／又は前記カテーテルに配置される、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の装置。
- テラヘルツ撮像用のシステムにおいて、
テラヘルツ信号発生器と、
テラヘルツ信号検出器と、
請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の装置と、
を有するシステム。 - テラヘルツ範囲における電磁波をガイドする方法において、
電磁波をコア構造及びワイヤの長さに沿って連続的に延在する少なくとも１つの閉じ込め構造を持つワイヤ内に結合するステップと、
前記ワイヤにそって関心領域まで前記電磁波をガイドするステップと、
を有する方法。
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