JP2016021456A - テラヘルツ帯用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ波を、より効率よく送信、あるいは受信できるようにする。【解決手段】グラフェンから構成されて対象とするテラヘルツ波（テラヘルツ光）の表面プラズモンが共鳴する第１アンテナパタン１０１と、グラフェンから構成されて第１アンテナパタン１０１とは異なるプラズモン共鳴周波数の第２アンテナパタン１０２とを備える。第２アンテナパタン１０２は、第１アンテナパタン１０１に所定の距離離間して向かい合って積層されている。各アンテナパタンの平面視の形状を矩形としている。誘電体層１０４の層厚により、第１アンテナパタン１０１に所定の距離離間して向かい合った状態で、第２アンテナパタン１０２が積層されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、周波数数百ギガヘルツから数十テラヘルツで使用されるテラヘルツ帯用アンテナに関する。

周波数が１０¹²Ｈｚ程度のテラヘルツ波は、セキュリティチェック、非破壊検査、分光分析、あるいは大容量通信など、様々な分野での応用が期待されている。テラヘルツ波を利用するためには、テラヘルツ波を効率よく送信、あるいは受信するアンテナが必要となる。多くの応用においては、特定の方向に強くテラヘルツ波を放出し、また特定の方向からのテラヘルツ波を感度よく受信する指向性を備えたアンテナの使用が望ましい。

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しかしながら、テラヘルツ領域では、インピーダンス整合の困難や金属内での損失のため、通常の高周波技術の延長線上の技術では、高効率のアンテナを作ることは困難であった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、テラヘルツ波を、より効率よく送信、あるいは受信できるようにすることを目的とする。

本発明に係るテラヘルツ帯用アンテナは、グラフェンから構成されて対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する第１アンテナパタンと、グラフェンから構成されて第１アンテナパタンとは異なるプラズモン共鳴周波数の第２アンテナパタンとを備え、第２アンテナパタンは、第１アンテナパタンに所定の距離離間して向かい合って積層されている。

上記テラヘルツ帯用アンテナにおいて、第１アンテナパタンと第２アンテナパタンとの間隔は、光学的長さが１／１０から１／４波長とされていればよい。また、第１アンテナパタンと第２アンテナパタンとのプラズモン共鳴周波数の違いは、２％以上２０％以下とされていればよい。

上記記載のテラヘルツ帯用アンテナにおいて、第１アンテナパタンおよび第２アンテナパタンは、各々が平面視で異なる幾何学形状とされていてもよい。また、第１アンテナパタンおよび第２アンテナパタンは、各々が異なるドープ量とされていてもよい。また、第１アンテナパタンおよび第２アンテナパタンは、各々が異なる誘電率の材料に接して配置されていてもよい。また、第１アンテナパタンおよび第２アンテナパタンは、各々が異なる総数のグラフェンから構成されていてもよい。

上記テラヘルツ帯用アンテナにおいて、第１アンテナパタンおよび第２アンテナパタンからなる複数のアンテナユニットを備え、複数の第１アンテナパタンは、各々のプラズモン共鳴周波数が同一とされて同一平面上に形成され、複数の第２アンテナパタンは、各々のプラズモン共鳴周波数が同一とされて同一平面上に形成されているようにしてもよい。

以上説明したことにより、本発明のテラヘルツ帯用アンテナによれば、テラヘルツ波を、より効率よく送信、あるいは受信できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。 図２は、第１アンテナパタン１０１と第２アンテナパタン１０２との間隔と、ゲインとの関係を示す特性図である。 図３は、第１アンテナパタン１０１と第２アンテナパタン１０２との共鳴周波数のずれとゲインの関係の一例を示す特性図である。 図４は、本発明の実施の形態２におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態３におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。 図６は、本発明の実施の形態４におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。 図７は、本発明の実施の形態５におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。 図８は、本発明の実施の形態６におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。 図９は、本発明の実施の形態７におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。 図１０は、本発明の実施の形態８におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。図１では、テラヘルツ帯用アンテナを模式的に斜視図で示している。

このテラヘルツ帯用アンテナは、グラフェンから構成されて対象とするテラヘルツ波（テラヘルツ光）の表面プラズモンが共鳴する第１アンテナパタン１０１と、グラフェンから構成されて第１アンテナパタン１０１とは異なるプラズモン共鳴周波数の第２アンテナパタン１０２とを備える。第２アンテナパタン１０２は、第１アンテナパタン１０１に所定の距離離間して向かい合って積層されている。実施の形態１では、各アンテナパタンの平面視の形状を矩形としている。第１アンテナパタン１０１と第２アンテナパタン１０２とは、互いに平行な状態となっていることが最適であるが、互いの面が見込める状態に配置されていればよく、平行な状態よりある程度ずれていてもよい。

この例では、第１アンテナパタン１０１は、テラヘルツ波に対して吸収の少ない材料から構成された基板１０３の主表面上に形成されている。また、第２アンテナパタン１０２は、基板１０３の上に形成された誘電体層１０４の上に形成されている。誘電体層１０４は、基板１０３と同程度の誘電率の材料から構成すればよい。誘電体層１０４の層厚により、第１アンテナパタン１０１に所定の距離離間して向かい合った状態で、第２アンテナパタン１０２が積層されている。

上述したテラヘルツ帯用アンテナにおいて、第１アンテナパタン１０１と第２アンテナパタン１０２との間隔は、図２に示すように、光学的距離に換算して１／１０〜１／４波長（λ）程度に取れば良い。なお、波長は、対象とするテラヘルツ波の波長である。

次に、共鳴周波数のずれについて図３を用いて説明する。図３は、第１アンテナパタン１０１と第２アンテナパタン１０２との共鳴周波数のずれとゲインの関係の一例を示す特性図である。まず、第２アンテナパタン１０２の方が第１アンテナパタン１０１より共鳴周波数が高く、第２アンテナパタン１０２の側を前方とし、第１アンテナパタン１０１の側を後方とする。

対象とするテラヘルツ波の共鳴周波数をｆとする。この場合、共鳴する第１アンテナパタン１０１の共鳴周波数もほぼｆである。これに対し、第２アンテナパタン１０２の共鳴周波数はｆ＋Δｆとすると、図３からわかるように、０．０２ｆ＜Δｆ＜０．２ｆ程度であれば、高いゲインが得られている。

上記構成としたテラヘルツ帯用アンテナに対し、共鳴周波数ｆ＋Δｆの第２アンテナパタン１０２の側から、共鳴周波数ｆの第１アンテナパタン１０１の側に向けてテラヘルツ波１２１を照射することを考える。テラヘルツ波の電場によって、共鳴周波数がずれている第２アンテナパタン１０２に誘起される電流には位相差が生じる。この位相差により、共鳴周波数ｆの第１アンテナパタン１０１の位置での電界は強め合い、従って大きな吸収が発生する。

逆に、共鳴周波数ｆの第１アンテナパタン１０１の側から、共鳴周波数ｆ＋Δｆの第２アンテナパタン１０２の側に向けてテラヘルツ波１２２を照射した場合は、第１アンテナパタン１０１の位置で電界の打ち消し合いが発生し、吸収が起こりにくくなる。

次に、第２アンテナパタン１０２の方が第１アンテナパタン１０１より共鳴周波数が低い場合を考える。対象とするテラヘルツ波の共鳴周波数をｆとすると、共鳴する第１アンテナパタン１０１の共鳴周波数もほぼｆである。これに対し、第２アンテナパタン１０２の共鳴周波数はｆ−Δｆとすると、０．０２ｆ＜Δｆ＜０．２ｆ程度であれよい。

上記構成としたテラヘルツ帯用アンテナに対し、共鳴周波数ｆの第１アンテナパタン１０１の側から、共鳴周波数ｆ＋Δｆの第２アンテナパタン１０２の側に向けてテラヘルツ波１２２を照射すると、テラヘルツ波の電場によって、共鳴周波数がずれている第２アンテナパタン１０２に誘起される電流には位相差が生じる。この位相差により、第１アンテナパタン１０１の位置での電界は強め合い従って大きな吸収が発生する

逆に、共鳴周波数ｆ−Δｆの第２アンテナパタン１０２の側から、共鳴周波数ｆの第１アンテナパタン１０１の側に向けてテラヘルツ波１２１を照射すると、第１アンテナパタン１０１の位置で電界の打ち消し合いが発生し、吸収が起こりにくくなる。

上述したように、本発明のテラヘルツ帯用アンテナでは、特定の方向から入射するテラヘルツ波を効率よく受信、あるいは吸収することができる。また、これ以外の方向からのテラヘルツ波に対しては透過性が高くなる。

以下、実施の形態１におけるテラヘルツ帯用アンテナについて、より詳細に説明する。まず、基板１０３は、テラヘルツ波に対して吸収の少ないｚカット水晶基板を用いればよい。ｚカット水晶基板からなる基板１０３の上に、すでに形成してあるグラフェンを転写し、転写したグラフェンを公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、第１アンテナパタン１０１を形成すればよい。グラフェンの形成は、例えば、よく知られた触媒金属を用いたＣＶＤ法により形成すればよい。第１アンテナパタン１０１は、例えば、長さ２ｍｍ、幅４４μｍに形成すればよい。なお、長さは共鳴周波数の決定にあまり重要ではなく、照射するテラヘルツ波のスポットサイズより大きく取れば良い。

次に、第１アンテナパタン１０１を構成しているグラフェンに、ホールをドープする。例えば、真空中加熱処理（非特許文献２）や高分子による修飾（非特許文献３）により、ホール濃度約２．２×１０¹⁸ｃｍ^-2までグラフェンにホールをドープする。前述した寸法とされ、上述したホール濃度とされた第１アンテナパタン１０１は、誘電率３．８の水晶からなる基板１０３に担持された状態では、幅方向に偏光している約１．５ＴＨｚのテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する状態となる。

次に、誘電体層１０４は、水晶とほぼ同じ誘電率となるＨＳＱ（hydrogen silsesquioxane：ハイドロジェンシルセスキオキサン）から形成すればよい。ＨＳＱは、液体ガラス的な性質を有し、電子線を露光光源としたネガ型レジストであり、電子線が照射された箇所が、ＳｉＯ_xに変化する。ＨＳＱをスピンコート法により塗布し、例えば、１１０℃・３分の条件で加熱して溶媒などを揮発させることで、層厚２５μｍ程度の塗布層を形成する。この塗布層に紫外線を照射してＳｉＯ_xに変化させ、誘電体層１０４とする。

次に、形成した誘電体層１０４の上に、前述同様にグラフェンを転写し、転写したグラフェンを公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングし、第２アンテナパタン１０２を形成する。第２アンテナパタン１０２は、例えば、長さ２ｍｍ、幅４０μｍに形成すればよい。

次に、第２アンテナパタン１０２を構成しているグラフェンに、前述同様にホールをドープする。ホール濃度約２．２×１０¹⁸ｃｍ^-2までグラフェンにホールをドープする。前述した寸法とされ、上述したホール濃度とされた第２アンテナパタン１０２は、ＨＳＱからなる誘電体層１０４に担持された状態では、幅方向に偏光している約１．６ＴＨｚのテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する状態となる。

上述した構成とした実施の形態１におけるテラヘルツ帯用アンテナに、第２アンテナパタン１０２の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波１２１を照射すると、前述したように、第１アンテナパタン１０１と第２アンテナパタン１０２との間の干渉効果により、第１アンテナパタン１０１で強い電界を生じ光が強く吸収される。一方、第１アンテナパタン１０１の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波１２２を照射すると、第１アンテナパタン１０１と第２アンテナパタン１０２との間の干渉効果により第１アンテナパタン１０１で電界が打ち消し合い吸収が抑制される。なおここでは受信動作について述べたが、本アンテナは送信にも使用可能である。送信の場合には、第１アンテナパタン１０１の側から第２アンテナパタン１０２の側（紙面上方向）へ向かうテラヘルツ波が放射される。

ここで、実施の形態１では、誘電体層１０４をＨＳＱから形成したが、これに限るものではなく、テラヘルツ領域で吸収の少ない他の材料を用いても良い。例えば、ＰＭＭＡ（Poly methyl methacrylate）、ＢＣＢ（Benzocyclobutene）、ポリイミド、ポリエチレンなどが考えられる。ただし、誘電体層１０４の誘電率は、第１アンテナパタン１０１，第２アンテナパタン１０２の共鳴周波数に影響を与える。誘電体層１０４の誘電率が大きいほど、共鳴周波数は低くなる。また、誘電体層１０４の光学的な厚さは、構成する材料の屈折率に依存する。一般に、屈折率が大きいほど誘電体層１０４を薄くすることができる。

また、第１アンテナパタン１０１，第２アンテナパタン１０２を構成するグラフェンのドープ量は、前述した値に限るものではない。物理的に同じ形状のアンテナパタンの場合、グラフェンのドープ量が小さいほど共鳴周波数は低くなる。また、各アンテナパタンの平面視の寸法も、前述した値に限るものではない。

例えば、以下に示す構成としてもよい。まず、第１アンテナパタン１０１の幅を２５μｍとし、ホール濃度を３．８×１０¹²ｃｍ^-1に調整する。この場合、第１アンテナパタン１０１の共鳴周波数は、約１．３ＴＨｚとなる。また、誘電体層１０４の層厚を２０ｎｍとする。また、第２アンテナパタン１０２の幅を２２μｍとし、ホール濃度を３．８×１０¹²ｃｍ^-1に調整する。この場合、第２アンテナパタン１０２の共鳴周波数は、約１．５ＴＨｚとなる。

上記構成としたテラヘルツ帯用アンテナによれば、第１アンテナパタン１０１の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波１２１を照射すると、前述したように、第１アンテナパタン１０１と第２アンテナパタン１０２との間の干渉効果により、第２アンテナパタン１０２で強い電界を生じテラヘルツ波１２１が強く吸収される。これに対し、第２アンテナパタン１０２の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波１２２を照射すると、第１アンテナパタン１０１と第２アンテナパタン１０２との間の干渉効果により、第２アンテナパタン１０２で電界が打ち消し合い吸収が抑制される。

また、基板１０３は、水晶に限定されるものではなく、テラヘルツ帯で高い透過性を示す他の材料も使用できる。例えば、サファイア、非ドープシリコン、ポリエチレンなどから基板１０３を構成してもよい。ただし、基板１０３の誘電率は、第１アンテナパタン１０１の共鳴周波数に影響を与えることを考慮する。

また、グラフェンの製法は、ＣＶＤ法に限るものではない。例えば、ＳｉＣ基板を加熱することでＳｉＣ基板の表面に熱分解法で、グラフェンを成長してもよい。また、グラファイトから剥離法によりグラフェンを形成してもよい。これらのことにより得られたグラフェンを、転写すればよい。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。図４では、テラヘルツ帯用アンテナを模式的に斜視図で示している。

このテラヘルツ帯用アンテナは、第１アンテナパタン２０１と、第１アンテナパタン２０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第２アンテナパタン２０２と、第１アンテナパタン２０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第３アンテナパタン２０３とを備える。第１アンテナパタン２０１の一方の面側に第２アンテナパタン２０２が配置され、第１アンテナパタン２０１の他方の面側に第３アンテナパタン２０３が配置されている。実施の形態２でも、各アンテナパタンの平面視の形状を矩形としている。なお、第１アンテナパタン２０１と第３アンテナパタン１０３とは、互いに平行な状態となっていることが最適であるが、互いの面が見込める状態に配置されていればよく、平行な状態よりある程度ずれていてもよい。

各アンテナパタンは、前述した実施の形態１と同様に、グラフェンから構成されている。また、第１アンテナパタン２０１は、対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する。一方、第２アンテナパタン２０２は、第１アンテナパタン２０１より低いプラズモン共鳴周波数とされ、第３アンテナパタン２０３は、第１アンテナパタン２０１より高いプラズモン共鳴周波数とされている。

この例では、第２アンテナパタン２０２が、水晶からなる基板２０４の主表面上に形成されている。また、第１アンテナパタン２０１は、基板２０４の上に形成された層厚２０μｍの誘電体層２０５の上に形成されている。また、第３アンテナパタン２０３は、誘電体層２０５の上に形成された、層厚２０μｍの誘電体層２０６の上に形成されている。誘電体層２０５の層厚により、第２アンテナパタン２０２に所定の距離離間して向かい合った状態で、第１アンテナパタン２０１が積層されている。また、誘電体層２０６の層厚により、第１アンテナパタン２０１に所定の距離離間して向かい合った状態で、第３アンテナパタン２０３が形成されている。誘電体層２０５，誘電体層２０６は、ＨＳＱから構成すればよい。

また、第１アンテナパタン２０１は、長さ２ｍｍ、幅２２μｍに形成する。また、第２アンテナパタン２０２は、長さ２ｍｍ、幅２５μｍに形成する。また、第３アンテナパタン２０３は、長さ２ｍｍ、幅２０μｍに形成する。また、各アンテナパタンを構成するグラフェンのホール濃度は、約３．８×１０¹²ｃｍ^-2とする。この結果、第１アンテナパタン２０１の共鳴周波数は１．５ＴＨｚとなり、第２アンテナパタン２０２の共鳴周波数は１．３ＴＨｚとなり、第３アンテナパタン２０３の共鳴周波数は１．７ＴＨｚとなる。

上述した構成とした実施の形態３によれば、第３アンテナパタン２０３の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２１を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン２０１で強い電界を生じ、テラヘルツ波２２１が強く吸収される。これに対し、第２アンテナパタン２０２の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２２を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン２０１で電界が打ち消し合い吸収が抑制される。

なお、積層数は３に限らず、４層、５層とより数を増やしてもよい。例えば、第３アンテナパタン２０３の上に、層厚２０μｍの新たな誘電体素を形成し、この上に、第３アンテナパタン２０３と同じ形状、同じドープ状態のアンテナパタンを、前述同様に配置すれば、更なる指向性の向上が得られる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施の形態３におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。図５では、テラヘルツ帯用アンテナを模式的に斜視図で示している。

このテラヘルツ帯用アンテナは、第１アンテナパタン３０１と、第１アンテナパタン３０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第２アンテナパタン３０２と、第１アンテナパタン３０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第３アンテナパタン３０３とを備える。第１アンテナパタン３０１の一方の面側に第２アンテナパタン３０２が配置され、第１アンテナパタン３０１の他方の面側に第３アンテナパタン３０３が配置されている。実施の形態３では、各アンテナパタンの平面視の形状を円形としている。

各アンテナパタンは、前述した実施の形態１と同様に、グラフェンから構成されている。また、第１アンテナパタン３０１は、対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する。一方、第２アンテナパタン３０２は、第１アンテナパタン３０１より低いプラズモン共鳴周波数とされ、第３アンテナパタン３０３は、第１アンテナパタン３０１より高いプラズモン共鳴周波数とされている。

この例では、第２アンテナパタン３０２が、水晶からなる基板３０４の主表面上に形成されている。また、第１アンテナパタン３０１は、基板３０４の上に形成された層厚２０μｍの誘電体層３０５の上に形成されている。また、第３アンテナパタン３０３は、誘電体層３０５の上に形成された、層厚２０μｍの誘電体層３０６の上に形成されている。誘電体層３０５の層厚により、第２アンテナパタン３０２に所定の距離離間して向かい合った状態で、第１アンテナパタン３０１が積層されている。また、誘電体層３０６の層厚により、第１アンテナパタン３０１に所定の距離離間して向かい合った状態で、第３アンテナパタン３０３が形成されている。誘電体層３０５，誘電体層３０６は、ＨＳＱから構成すればよい。

また、第１アンテナパタン３０１は、直径３０μｍの円形に形成する。また、第２アンテナパタン３０２は、直径３３μｍの円形に形成する。また、第３アンテナパタン３０３は、直径２７μｍの円形に形成する。また、各アンテナパタンを構成するグラフェンのホール濃度は、約３．８×１０¹²ｃｍ^-2とする。この結果、第１アンテナパタン３０１の共鳴周波数は１．５ＴＨｚとなり、第２アンテナパタン３０２の共鳴周波数は１．３ＴＨｚとなり、第３アンテナパタン３０３の共鳴周波数は１．７ＴＨｚとなる。

上述した構成とした実施の形態３によれば、第３アンテナパタン３０３の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２１を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン３０１で強い電界を生じ、テラヘルツ波２２１が強く吸収される。これに対し、第２アンテナパタン３０２の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２２を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン３０１で電界が打ち消し合い吸収が抑制される。

また、実施の形態３では、アンテナパタンを平面視円形としているので、偏光方向によらず送受信が可能となる。なお、アンテナパタンの形状は、楕円やそれ以外の形でも良い。共鳴周波数は、偏光方向に対するパタンの長さに主に依存する。

［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態４におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。図６では、テラヘルツ帯用アンテナを模式的に斜視図で示している。

このテラヘルツ帯用アンテナは、第１アンテナパタン４０１と、第１アンテナパタン４０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第２アンテナパタン４０２と、第１アンテナパタン４０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第３アンテナパタン４０３とを備える。第１アンテナパタン４０１の一方の面側に第２アンテナパタン４０２が配置され、第１アンテナパタン４０１の他方の面側に第３アンテナパタン４０３が配置されている。実施の形態４では、第１アンテナパタン４０１は、平面視正方形とし、第２アンテナパタン４０２は、平面視円形とし、第３アンテナパタン４０３は、平面視正三角形としている。このように、実施の形態４では、各アンテナパタンが、平面視で異なる幾何学形状とされている

各アンテナパタンは、前述した実施の形態１と同様に、グラフェンから構成されている。また、第１アンテナパタン４０１は、対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する。一方、第２アンテナパタン４０２は、第１アンテナパタン４０１より低いプラズモン共鳴周波数とされ、第３アンテナパタン４０３は、第１アンテナパタン４０１より高いプラズモン共鳴周波数とされている。

この例では、第２アンテナパタン４０２が、水晶からなる基板４０４の主表面上に形成されている。また、第１アンテナパタン４０１は、基板４０４の上に形成された層厚２０μｍの誘電体層４０５の上に形成されている。また、第３アンテナパタン４０３は、誘電体層４０５の上に形成された、層厚２０μｍの誘電体層４０６の上に形成されている。誘電体層４０５の層厚により、第２アンテナパタン４０２に所定の距離離間して向かい合った状態で、第１アンテナパタン４０１が積層されている。また、誘電体層４０６の層厚により、第１アンテナパタン４０１に所定の距離離間して向かい合った状態で、第３アンテナパタン４０３が形成されている。誘電体層４０５，誘電体層４０６は、ＨＳＱから構成すればよい。

また、第１アンテナパタン４０１は、１辺２２μｍの正方形に形成する。また、第２アンテナパタン４０２は、直径３３μｍの円形に形成する。また、第３アンテナパタン４０３は、１辺３６μｍの正三角形に形成する。各アンテナパタンは、基板４０４の平面の法線方向上部より見ると、各々の重心位置が重なっている。また、各アンテナパタンを構成するグラフェンのホール濃度は、約３．８×１０¹²ｃｍ^-2とする。この結果、第１アンテナパタン４０１の共鳴周波数は１．５ＴＨｚとなり、第２アンテナパタン４０２の共鳴周波数は１．３ＴＨｚとなり、第３アンテナパタン４０３の共鳴周波数は１．７ＴＨｚとなる。

上述した構成とした実施の形態４によれば、第３アンテナパタン４０３の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２１を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン４０１で強い電界を生じ、テラヘルツ波２２１が強く吸収される。これに対し、第２アンテナパタン４０２の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２２を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン４０１で電界が打ち消し合い吸収が抑制される。

［実施の形態５］
次に、本発明の実施の形態５について図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態５におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。図７では、テラヘルツ帯用アンテナを模式的に斜視図で示している。

このテラヘルツ帯用アンテナは、第１アンテナパタン５０１と、第１アンテナパタン５０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第２アンテナパタン５０２と、第１アンテナパタン５０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第３アンテナパタン５０３とを備える。第１アンテナパタン５０１の一方の面側に第２アンテナパタン５０２が配置され、第１アンテナパタン５０１の他方の面側に第３アンテナパタン５０３が配置されている。実施の形態５では、各アンテナパタンの平面視の形状を正方形としている。

各アンテナパタンは、前述した実施の形態１と同様に、１層のグラフェンから構成されている。また、第１アンテナパタン５０１は、対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する。一方、第２アンテナパタン５０２は、第１アンテナパタン５０１より低いプラズモン共鳴周波数とされ、第３アンテナパタン５０３は、第１アンテナパタン５０１より高いプラズモン共鳴周波数とされている。

この例では、第２アンテナパタン５０２が、水晶からなる基板５０４の主表面上に形成されている。また、第１アンテナパタン５０１は、基板５０４の上に形成された層厚２０μｍの誘電体層５０５の上に形成されている。また、第３アンテナパタン５０３は、誘電体層５０５の上に形成された、層厚２０μｍの誘電体層５０６の上に形成されている。誘電体層５０５の層厚により、第２アンテナパタン５０２に所定の距離離間して向かい合った状態で、第１アンテナパタン５０１が積層されている。また、誘電体層５０６の層厚により、第１アンテナパタン５０１に所定の距離離間して向かい合った状態で、第３アンテナパタン５０３が形成されている。誘電体層５０５，誘電体層５０６は、ＨＳＱから構成すればよい。

各アンテナパタンは、平面視で１辺が２２μｍの正方形とされている。第１アンテナパタン５０１は、グラフェンのホール濃度が、約３．８×１０¹²ｃｍ^-2とされている。第２アンテナパタン５０２は、グラフェンのホール濃度が、約３．０×１０¹²ｃｍ^-2とされている。第３アンテナパタン５０３は、グラフェンのホール濃度が、約４．６×１０¹²ｃｍ^-2とされている。この結果、第１アンテナパタン５０１の共鳴周波数は１．５ＴＨｚとなり、第２アンテナパタン５０２の共鳴周波数は１．３ＴＨｚとなり、第３アンテナパタン５０３の共鳴周波数は１．７ＴＨｚとなる。このように、アンテナパタンの形状を同一としても、ホール濃度を制御することで、各々異なる共鳴周波数とすることができる。

上述した構成とした実施の形態５によれば、第３アンテナパタン５０３の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２１を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン５０１で強い電界を生じ、テラヘルツ波２２１が強く吸収される。これに対し、第２アンテナパタン５０２の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２２を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン５０１で電界が打ち消し合い吸収が抑制される。

［実施の形態６］
次に、本発明の実施の形態６について図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態６におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。図８では、テラヘルツ帯用アンテナを模式的に斜視図で示している。

このテラヘルツ帯用アンテナは、第１アンテナパタン６０１と、第１アンテナパタン６０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第２アンテナパタン６０２と、第１アンテナパタン６０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第３アンテナパタン６０３とを備える。第１アンテナパタン６０１の一方の面側に第２アンテナパタン６０２が配置され、第１アンテナパタン６０１の他方の面側に第３アンテナパタン６０３が配置されている。実施の形態６では、各アンテナパタンの平面視の形状を正方形としている。

各アンテナパタンは、前述した実施の形態１と同様に、１層のグラフェンから構成されている。また、第１アンテナパタン６０１は、対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する。一方、第２アンテナパタン６０２は、第１アンテナパタン６０１より低いプラズモン共鳴周波数とされ、第３アンテナパタン６０３は、第１アンテナパタン６０１より高いプラズモン共鳴周波数とされている。

この例では、第２アンテナパタン６０２が、サファイアからなる基板６０４の主表面上に形成されている。また、第１アンテナパタン６０１は、基板６０４の上に形成された層厚２０μｍの誘電体層６０５の上に形成されている。誘電体層６０５は、ＨＳＱから構成されている。誘電体層６０５の層厚により、第２アンテナパタン６０２に所定の距離離間して向かい合った状態で、第１アンテナパタン６０１が積層されている。

また、第３アンテナパタン６０３は、誘電体層６０５の上に形成された、層厚２０μｍの誘電体層６０６の上に形成されている。ここで、誘電体層６０５には、溝部６０６ａを備える。第３アンテナパタン６０３は、溝部６０６ａを跨いで架設されている。このため、第３アンテナパタン６０３の有効な領域の、第１アンテナパタン６０１側は、中空の状態とされ、空気（大気）に接触した状態とされている。このように、実施の形態６では、各アンテナパタンが、異なる誘電率の材料に接して配置されている。

例えば、フォトリソグラフィー技術により形成したマスクパタンを用い、反応性イオンエッチングによりパターニングすることで、誘電体層６０５に溝部６０６ａを形成すればよい。このようにして溝部６０６ａを形成した後、グラフェンを転写し、転写したグラフェンをパターニングして第３アンテナパタン６０３とすればよい。なお、誘電体層６０５も、ＨＳＱから構成されている。また、誘電体層６０６の層厚により、第１アンテナパタン６０１に所定の距離離間して向かい合った状態で、第３アンテナパタン６０３が形成されている。

各アンテナパタンは、平面視で１辺が２２μｍの正方形とされている。また、各アンテナパタンは、グラフェンのホール濃度が、約３．８×１０¹²ｃｍ^-2とされている。ここで、第１アンテナパタン５０１は、ＨＳＱからなる誘電体層６０５に接して形成されており、共鳴周波数は１．５ＴＨｚとなる。また、第２アンテナパタン６０２は、サファイアからなる基板６０４に接して形成されており、共鳴周波数は１．３ＴＨｚとなる。また、第３アンテナパタン６０３は、大気に接して形成された状態となっているため、共鳴周波数は１．６ＴＨｚとなる。このように、アンテナパタンの形状を同一としても、接触する物質を異なる誘電率とすることで、各々異なる共鳴周波数とすることができる。

上述した構成とした実施の形態６によれば、第３アンテナパタン６０３の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２１を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン６０１で強い電界を生じ、テラヘルツ波２２１が強く吸収される。これに対し、第２アンテナパタン６０２の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２２を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン６０１で電界が打ち消し合い吸収が抑制される。

［実施の形態７］
次に、本発明の実施の形態７について図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態７におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。図９では、テラヘルツ帯用アンテナを模式的に斜視図で示している。

このテラヘルツ帯用アンテナは、第１アンテナパタン７０１と、第１アンテナパタン７０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第２アンテナパタン７０２と、第１アンテナパタン７０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第３アンテナパタン７０３とを備える。第１アンテナパタン７０１の一方の面側に第２アンテナパタン７０２が配置され、第１アンテナパタン７０１の他方の面側に第３アンテナパタン７０３が配置されている。実施の形態７では、各アンテナパタンの平面視の形状を正方形としている。

各アンテナパタンは、前述した実施の形態１と同様に、グラフェンから構成されている。実施の形態７では、第１アンテナパタン７０１が、２層のグラフェンから構成され、第２アンテナパタン７０２が、１層のグラフェンから構成され、第３アンテナパタン７０３が、３層のグラフェンから構成されている。なお、第１アンテナパタン７０１は、対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する。一方、第２アンテナパタン７０２は、第１アンテナパタン７０１より低いプラズモン共鳴周波数とされ、第３アンテナパタン７０３は、第１アンテナパタン７０１より高いプラズモン共鳴周波数とされている。

この例では、第２アンテナパタン７０２が、水晶からなる基板７０４の主表面上に形成されている。また、第１アンテナパタン７０１は、基板７０４の上に形成された層厚２０μｍの誘電体層７０５の上に形成されている。また、第３アンテナパタン７０３は、誘電体層７０５の上に形成された、層厚２０μｍの誘電体層７０６の上に形成されている。誘電体層７０５の層厚により、第２アンテナパタン７０２に所定の距離離間して向かい合った状態で、第１アンテナパタン７０１が積層されている。また、誘電体層７０６の層厚により、第１アンテナパタン７０１に所定の距離離間して向かい合った状態で、第３アンテナパタン７０３が形成されている。誘電体層７０５，誘電体層７０６は、ＨＳＱから構成すればよい。

また、各アンテナパタンは、平面視で１辺が２５μｍの正方形とされている。また、各アンテナパタンを構成するグラフェンのホール濃度は、約３．８×１０¹²ｃｍ^-2とする。この結果、２層のグラフェンから構成された第１アンテナパタン７０１の共鳴周波数は、１．５ＴＨｚとなる。また、１層のグラフェンから構成された第２アンテナパタン７０２の共鳴周波数は、１．３ＴＨｚとなる。また、３層のグラフェンから構成された第３アンテナパタン７０３の共鳴周波数は、１．７ＴＨｚとなる。

上述した構成とした実施の形態７によれば、第３アンテナパタン７０３の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２１を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン７０１で強い電界を生じ、テラヘルツ波２２１が強く吸収される。これに対し、第２アンテナパタン７０２の側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２２を照射すると、３つのアンテナパタン間の干渉効果により、第１アンテナパタン７０１で電界が打ち消し合い吸収が抑制される。

［実施の形態８］
次に、本発明の実施の形態８について図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施の形態８におけるテラヘルツ帯用アンテナの構成を示す構成図である。図１０では、テラヘルツ帯用アンテナを模式的に斜視図で示している。

このテラヘルツ帯用アンテナは、第１アンテナパタン８０１と、第１アンテナパタン８０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第２アンテナパタン８０２と、第１アンテナパタン８０１と所定の距離離間して向かい合って積層された第３アンテナパタン８０３とからなる複数のアンテナユニット８１１を備える。複数のアンテナユニット８１１は、正方配列されて周期が５０μｍとされている。この例では、３×３の正方配列（マトリクス）としている。各々のアンテナユニット８１１において、第１アンテナパタン８０１の一方の面側に第２アンテナパタン８０２が配置され、第１アンテナパタン８０１の他方の面側に第３アンテナパタン８０３が配置されている。実施の形態８では、各アンテナパタンの平面視の形状を正方形としている。

また、複数の第１アンテナパタン８０１は、各々のプラズモン共鳴周波数が同一とされて同一の平面上に形成されている。また、複数の第２アンテナパタン８０２は、各々のプラズモン共鳴周波数が同一とされて同一の平面上に形成されている。同様に、複数の第３アンテナパタン８０３は、各々のプラズモン共鳴周波数が同一とされて同一の平面上に形成されている 。

各アンテナパタンは、前述した実施の形態１と同様に、グラフェンから構成されている。また、第１アンテナパタン８０１は、対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する。一方、第２アンテナパタン８０２は、第１アンテナパタン８０１より低いプラズモン共鳴周波数とされ、第３アンテナパタン８０３は、第１アンテナパタン８０１より高いプラズモン共鳴周波数とされている。

この例では、各第２アンテナパタン８０２が、水晶からなる基板８０４の主表面上に形成されている。また、各第１アンテナパタン８０１は、基板８０４の上に形成された層厚２０μｍの誘電体層８０５の上に形成されている。また、各第３アンテナパタン８０３は、誘電体層８０５の上に形成された、層厚２０μｍの誘電体層８０６の上に形成されている。

誘電体層８０５の層厚により、各アンテナユニット８１１毎に、第２アンテナパタン８０２に所定の距離離間して向かい合った状態で、第１アンテナパタン８０１が積層されている。また、誘電体層８０６の層厚により、各アンテナユニット８１１毎に、第１アンテナパタン８０１に所定の距離離間して向かい合った状態で、第３アンテナパタン８０３が形成されている。誘電体層８０５，誘電体層８０６は、ＨＳＱから構成されている。

また、第１アンテナパタン８０１は、１辺の長さが２２μｍの正方形に形成する。また、第２アンテナパタン８０２は、１辺の長さが２５μｍの正方形に形成する。また、第３アンテナパタン８０３は、１辺の長さが２０μｍの正方形に形成する。また、各アンテナパタンを構成するグラフェンのホール濃度は、約３．８×１０¹²ｃｍ^-2とする。この結果、複数の第１アンテナパタン８０１が形成された第１アレイアンテナ層８０１ａの共鳴周波数は、１．５ＴＨｚとなる。また、複数の第２アンテナパタン８０２が形成された第２アレイアンテナ層８０２ａの共鳴周波数は、１．３ＴＨｚとなる。また、複数の第３アンテナパタン８０３が形成されただ３アレイアンテナ層８０３ａの共鳴周波数は１．７ＴＨｚとなる。

上述した構成とした実施の形態８によれば、第３アンテナアレイ層８０３ａの側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２１を照射すると、３つのアンテナアレイ層間の干渉効果により、第１アンテナアレイ層８０１ａで強い電界を生じ、テラヘルツ波２２１が強く吸収される。これに対し、第２アンテナアレイ層８０２ａの側より１．５ＴＨｚのテラヘルツ波２２２を照射すると、３つのアンテナアレイ層間の干渉効果により、第１アンテナアレイ層８０１ａで電界が打ち消し合い吸収が抑制される。

以上に説明したように、本発明によれば、グラフェンから構成されて対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する第１アンテナパタンと、グラフェンから構成されて第１アンテナパタンとは異なるプラズモン共鳴周波数の第２アンテナパタンとを、所定の距離離間して向かい合って積層したので、テラヘルツ波を、より効率よく送信、あるいは受信できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、本発明のアンテナは、テラヘルツ波の吸収構造体、テラヘルツ波の反射構造体として用いることもできる。例えば、対象とする共鳴周波数ｆのテラヘルツ波が、共鳴周波数ｆ＋Δｆの第２アンテナパタンの側から入射すれば、上記テラヘルツ波は吸収する。これに対し、上記テラヘルツ波が、逆に、共鳴周波数ｆの第１アンテナパタンの側から入射すれば、上記テラヘルツ波は反射する。

また、例えば実施の形態８では、アンテナアレイ層を３層積層したが、これに限るものではなく、２層としてもよく、また、４層以上としてもよい。例えば、上述では、グラフェンにホールドープしたが、これに限らず、電子ドープをしてもよい。

１０１…第１アンテナパタン、１０２…第２アンテナパタン、１０３…基板、１０４…誘電体層、１２１，１２２…テラヘルツ波。

Claims (8)

1. グラフェンから構成されて対象とするテラヘルツ波の表面プラズモンが共鳴する第１アンテナパタンと、
   グラフェンから構成されて前記第１アンテナパタンとは異なるプラズモン共鳴周波数の第２アンテナパタンと
   を備え、
   前記第２アンテナパタンは、前記第１アンテナパタンに所定の距離離間して向かい合って積層されている
   ことを特徴とするテラヘルツ帯用アンテナ。
2. 請求項１記載のテラヘルツ帯用アンテナにおいて、
   前記第１アンテナパタンと前記第２アンテナパタンとの間隔は、光学的長さが１／１０から１／４波長とされている
   ことを特徴とするテラヘルツ帯用アンテナ。
3. 請求項２記載のテラヘルツ帯用アンテナにおいて、
   前記第１アンテナパタンと前記第２アンテナパタンとのプラズモン共鳴周波数の違いは、２％以上２０％以下とされている
   ことを特徴とするテラヘルツ帯用アンテナ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のテラヘルツ帯用アンテナにおいて、
   前記第１アンテナパタンおよび第２アンテナパタンは、各々が平面視で異なる幾何学形状とされていることを特徴とするテラヘルツ帯用アンテナ。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のテラヘルツ帯用アンテナにおいて、
   前記第１アンテナパタンおよび第２アンテナパタンは、各々が異なるドープ量とされていることを特徴とするテラヘルツ帯用アンテナ。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のテラヘルツ帯用アンテナにおいて、
   前記第１アンテナパタンおよび第２アンテナパタンは、各々が異なる誘電率の材料に接して配置されていることを特徴とするテラヘルツ帯用アンテナ。
7. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のテラヘルツ帯用アンテナにおいて、
   前記第１アンテナパタンおよび第２アンテナパタンは、各々が異なる総数のグラフェンから構成されていることを特徴とするテラヘルツ帯用アンテナ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のテラヘルツ帯用アンテナにおいて、
   前記第１アンテナパタンおよび前記第２アンテナパタンからなる複数のアンテナユニットを備え、
   複数の前記第１アンテナパタンは、各々のプラズモン共鳴周波数が同一とされて同一平面上に形成され、
   複数の前記第２アンテナパタンは、各々のプラズモン共鳴周波数が同一とされて同一平面上に形成されている
   ことを特徴とするテラヘルツ帯用アンテナ。