JP2017084991A - Terahertz wave generator, imaging device, camera, and measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ波発生装置、イメージング装置、カメラ、および計測装置に関する。 The present invention relates to a terahertz wave generation device, an imaging device, a camera, and a measurement device.
近年、100GHz以上、30THz以下の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ波は、例えば、イメージング、分光計測等の各計測、非破壊検査等に用いることができる。
このテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置は、サブp秒(数百f秒)程度のパルス幅をもつ光パルス(パルス光)を発生する光源装置と、光源装置で発生した光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナとを有している。
前記光伝導アンテナとしては、例えば、特許文献1に、光導波路とマイクロストリップ線路、光からテラヘルツ波に変換するための複数の半導体層を積層した光伝導素子とを同一基板上に集積化させたものが開示されている。
In recent years, a terahertz wave, which is an electromagnetic wave having a frequency of 100 GHz or more and 30 THz or less, has attracted attention. The terahertz wave can be used for, for example, each measurement such as imaging and spectroscopic measurement, non-destructive inspection, and the like.
This terahertz wave generating device that generates a terahertz wave is irradiated with a light source device that generates a light pulse (pulse light) having a pulse width of about sub-p seconds (several hundreds of seconds), and a light pulse generated by the light source device. And a photoconductive antenna that generates terahertz waves.
As the photoconductive antenna, for example, in Patent Document 1, an optical waveguide, a microstrip line, and a photoconductive element in which a plurality of semiconductor layers for converting light into terahertz waves are stacked are integrated on the same substrate. Are disclosed.
しかしながら、特許文献1に記載の光伝導アンテナを有するテラヘルツ波発生装置は、光源装置と光伝導アンテナとが一体化していないため、光源装置と光伝導アンテナとの光導波路同士を精度良くアライメントすることが難しく、光源装置から出射された光パルスが光伝導アンテナに入射されず外部に漏れ、効率良くテラヘルツ波を発生させることができないという虞があった。 However, since the light source device and the photoconductive antenna are not integrated in the terahertz wave generation device having the photoconductive antenna described in Patent Document 1, the optical waveguides of the light source device and the photoconductive antenna are aligned with high accuracy. However, the light pulse emitted from the light source device is not incident on the photoconductive antenna but leaks to the outside, and there is a possibility that the terahertz wave cannot be generated efficiently.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係るテラヘルツ波発生装置は、量子井戸層を含み、且つ、光パルスを生成する光パルス生成部と、前記量子井戸層を含む光伝導アンテナと、を有し、前記光パルス生成部は、順バイアス電圧が印加される順バイアス印加部と、逆バイアス電圧が印加される逆バイアス印加部と、前記量子井戸層を導波する光の一部を反射する分布ブラッグ反射部と、を含み、前記光伝導アンテナは、前記分布ブラッグ反射部を透過した光パルスを受けてテラヘルツ波を発生させることを特徴とする。 Application Example 1 A terahertz wave generator according to this application example includes a quantum well layer, and includes an optical pulse generation unit that generates an optical pulse, and a photoconductive antenna including the quantum well layer, The optical pulse generator includes a forward bias applying unit to which a forward bias voltage is applied, a reverse bias applying unit to which a reverse bias voltage is applied, and a distributed Bragg that reflects a part of the light guided through the quantum well layer. The photoconductive antenna generates a terahertz wave upon receiving a light pulse transmitted through the distributed Bragg reflector.
本適用例によれば、光パルス生成部で生成した光パルスを導波する量子井戸層が光パルス生成部と、テラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、に一体化して形成されているため、光パルス生成部と光伝導アンテナとの光導波路同士のアライメントが不要となり、効率良くテラヘルツ波を発生させることができる。また、光パルス生成部に逆バイアス印加部が設けられているため、生成した光パルスを圧縮してパルス幅を減少させることができ、高い強度を有する光パルスを生成させることができる。更に、光伝導アンテナ側に分布ブラッグ反射部が設けられているため、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナへ入射させることができ、所望の波長を有するテラヘルツ波を効率良く発生させることができる。 According to this application example, the quantum well layer that guides the optical pulse generated by the optical pulse generation unit is formed integrally with the optical pulse generation unit and the photoconductive antenna that generates the terahertz wave. Alignment between the optical waveguides of the optical pulse generator and the photoconductive antenna is unnecessary, and a terahertz wave can be generated efficiently. In addition, since the reverse bias applying unit is provided in the optical pulse generation unit, the generated optical pulse can be compressed to reduce the pulse width, and an optical pulse having high intensity can be generated. Furthermore, since the distributed Bragg reflector is provided on the photoconductive antenna side, only a light pulse having a desired wavelength can be incident on the photoconductive antenna, and a terahertz wave having a desired wavelength can be efficiently generated. it can.
[適用例2]上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置において、前記分布ブラッグ反射部は、第1クラッド層と、前記量子井戸層と、第2クラッド層と、を有し、第2クラッド層は、前記量子井戸層側に向かって複数の凸部を有していることが好ましい。 Application Example 2 In the terahertz wave generator according to the application example described above, the distributed Bragg reflector includes a first cladding layer, the quantum well layer, and a second cladding layer, and the second cladding layer. Preferably has a plurality of convex portions toward the quantum well layer.
本適用例によれば、第2クラッド層が量子井戸層側に向かって複数の凸部を有していることにより、特定の波長の光パルスだけを反射するブラッグ反射を構成することができるため、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナへ導波し、所望の波長を有するテラヘルツ波を発生させることができる。 According to this application example, since the second cladding layer has a plurality of convex portions toward the quantum well layer side, Bragg reflection that reflects only light pulses of a specific wavelength can be configured. Only a light pulse having a desired wavelength can be guided to the photoconductive antenna to generate a terahertz wave having the desired wavelength.
[適用例3]上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置において、前記分布ブラッグ反射部は、第1クラッド層と、前記量子井戸層と、第2クラッド層と、を有し、前記第2クラッド層は、前記量子井戸層側とは反対側に開口する複数の溝部を有していることが好ましい。 Application Example 3 In the terahertz wave generation device according to the application example, the distributed Bragg reflector includes a first cladding layer, the quantum well layer, and a second cladding layer, and the second cladding It is preferable that the layer has a plurality of grooves that are open on the side opposite to the quantum well layer side.
本適用例によれば、第2クラッド層が量子井戸層側とは反対側に開口する複数の溝部を有していることにより、特定の波長の光パルスだけを反射するブラッグ反射を構成することができるため、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナへ導波し、所望の波長を有するテラヘルツ波を発生させることができる。 According to this application example, the second clad layer has a plurality of grooves that are opened on the side opposite to the quantum well layer side, thereby configuring a Bragg reflection that reflects only a light pulse of a specific wavelength. Therefore, only a light pulse having a desired wavelength can be guided to the photoconductive antenna, and a terahertz wave having a desired wavelength can be generated.
[適用例4]上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置において、前記光伝導アンテナは、逆バイアス電圧が印加されていることが好ましい。 Application Example 4 In the terahertz wave generation device according to the application example, it is preferable that a reverse bias voltage is applied to the photoconductive antenna.
本適用例によれば、光伝導アンテナに逆バイアス電圧を印加することにより、光キャリアの加速度が大きくなる。そのため、光伝導アンテナから出射されるテラヘルツ波の強度を大きくすることができる。 According to this application example, the acceleration of the optical carrier is increased by applying a reverse bias voltage to the photoconductive antenna. Therefore, the intensity of the terahertz wave emitted from the photoconductive antenna can be increased.
[適用例5]本適用例に係るイメージング装置は、上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置と、前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて対象物の画像を生成する画像形成部と、を備えていることを特徴とする。 Application Example 5 An imaging apparatus according to this application example includes the terahertz wave generation apparatus according to the application example described above, and terahertz wave detection that detects a terahertz wave that has been emitted from the terahertz wave generation apparatus and transmitted or reflected from an object. And an image forming unit that generates an image of the object based on the detection result of the terahertz wave detection unit.
本適用例によれば、光パルス生成部と光伝導アンテナとが一体化された小型のテラヘルツ波発生装置を備えているため、小型で高性能なイメージング装置を構成することができる。 According to this application example, since the small terahertz wave generator in which the optical pulse generation unit and the photoconductive antenna are integrated is provided, a small and high-performance imaging apparatus can be configured.
[適用例6]本適用例に係るカメラは、上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置と、前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物にて反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、を備えていることを特徴とする。 Application Example 6 A camera according to this application example includes the terahertz wave generation device according to the application example described above, a terahertz wave detection unit that detects a terahertz wave that is emitted from the terahertz wave generation device and reflected by an object. And a storage unit for storing the detection result of the terahertz wave detection unit.
本適用例によれば、光パルス生成部と光伝導アンテナとが一体化された小型のテラヘルツ波発生装置を備えているため、小型で高性能なカメラを構成することができる。 According to this application example, since a small terahertz wave generation device in which the optical pulse generation unit and the photoconductive antenna are integrated is provided, a small and high-performance camera can be configured.
[適用例7]本適用例に係る計測装置は、上記適用例に記載のテラヘルツ波発生装置と、前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて対象物を計測する計測部と、を備えていることを特徴とする。 Application Example 7 A measurement apparatus according to this application example includes the terahertz wave generation device according to the application example described above, and terahertz wave detection that detects a terahertz wave that has been emitted from the terahertz wave generation device and transmitted or reflected from an object. And a measurement unit that measures an object based on a detection result of the terahertz wave detection unit.
本適用例によれば、光パルス生成部と光伝導アンテナとが一体化された小型のテラヘルツ波発生装置を備えているため、小型で高性能な計測装置を構成することができる。 According to this application example, since a small terahertz wave generation device in which the optical pulse generation unit and the photoconductive antenna are integrated is provided, a small and high-performance measurement device can be configured.
[適用例8]上記適用例に記載の計測装置において、前記テラヘルツ波検出部は、前記テラヘルツ波発生装置から出射される光パルスが照射され、前記テラヘルツ波発生装置から前記テラヘルツ波検出部までの光パルスの光路長を変化させる遅延光学系を備えていることが好ましい。 Application Example 8 In the measurement apparatus according to the application example, the terahertz wave detection unit is irradiated with a light pulse emitted from the terahertz wave generation device, and the terahertz wave generation device to the terahertz wave detection unit. It is preferable to provide a delay optical system that changes the optical path length of the light pulse.
本適用例によれば、テラヘルツ波発生装置がテラヘルツ波と光パルスを同時に出射することができるため、出射された光パルスを遅延光学系によりテラヘルツ波より遅らせて、対象物などに照射することができる。そのため、小型で高性能な計測装置を構成することができる。 According to this application example, since the terahertz wave generation device can emit the terahertz wave and the optical pulse at the same time, the emitted optical pulse can be delayed from the terahertz wave by the delay optical system and irradiated onto the object or the like. it can. Therefore, a small and high-performance measuring device can be configured.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each layer and each member is different from the actual scale so that each layer and each member can be recognized.
[テラヘルツ波発生装置]
<第1実施形態>
先ず、本発明の第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1について、図1および図2を参照して説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す斜視図である。図2は、図1におけるA−A線の概略断面図である。
[Terahertz wave generator]
<First Embodiment>
First, a terahertz wave generator 1 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a terahertz wave generating apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic sectional view taken along line AA in FIG.
テラヘルツ波発生装置1は、図1に示すように、半導体基板である基板10と、基板10上に設けられたバッファー層12と、バッファー層12上に設けられた第1クラッド層14と、第1クラッド層14上に設けられた活性層16と、活性層16上に設けられた第2クラッド層18と、第2クラッド層18上に設けられた絶縁層20およびコンタクト層22と、絶縁層20およびコンタクト層22上に設けられた複数の第2電極26a,26b,26cと、基板10のバッファー層12が設けられている側とは反対側に設けられた第1電極24と、を有している。
As shown in FIG. 1, the terahertz wave generator 1 includes a
基板10としては、n型の半導体、例えば、n型GaAs基板などを用いることができる。
バッファー層12は、上方に形成される層の結晶性を向上させることができ、例えば、基板10よりも結晶性の良好なn型GaAs層などを用いることができる。
As the
The
第1クラッド層14は、n型の半導体、例えば、n型Al0.5Ga0.5As層などを用いることができる。
活性層16は、i型の半導体を積層した層、例えば、i型GaAs層とi型Al0.3Ga0.7As層とを交互に積層した層などを用いることができる。
第2クラッド層18は、p型の半導体、例えば、p型Al0.5Ga0.5As層などを用いることができる。
The
The
For the
絶縁層20としては、絶縁性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、フッ素系樹脂、ポリイミド、ポラジン系化合物、水素化ヒロキサン、ベンゾシクロブテン、SiN、SiO2などが挙げられる。
コンタクト層22は、p型の半導体、例えば、p型GaAs層などを用いることができる。
The insulating
The
第1電極24は、基板10側からCr層、AuGe層、Ni層、Au層の順序で積層した層などを用いることができる。
第2電極26a,26b,26cは、コンタクト層22側からCr層、Pt層、Ti層、Pt層、Au層の順で積層した層などを用いることができる。
As the
As the
また、テラヘルツ波発生装置1において、活性層16は、図2に示すように、第1クラッド層14上に設けられたガイド層30と、ガイド層30上に設けられた光パルスが導波する量子井戸層32と、量子井戸層32上に設けられたバリア層34と、バリア層34上に設けられた量子井戸層32と、量子井戸層32上に設けられたガイド層30と、を含み構成されている。なお、本実施形態では、ガイド層30の間に、量子井戸層32とバリア層34とを交互に複数ずつ設けてなる多重量子井戸と呼ばれる構造である。しかし、これに限定されず、量子井戸層32の上下をガイド層30で挟んだ単一量子井戸構造や量子井戸層32単層であっても構わない。
Further, in the terahertz wave generator 1, the
ガイド層30およびバリア層34の構成材料は、i型の半導体であり、例えば、i型AlGaAs層などである。また、量子井戸層32の構成材料は、i型の半導体であり、例えば、i型GaAs層などである。
The constituent material of the
更に、テラヘルツ波発生装置1は、光パルスを生成する光パルス生成部40と、光パルス生成部40で生成された光パルスを受けてテラヘルツ波を発生する光伝導アンテナ50と、を有している。また、テラヘルツ波発生装置1は、光パルス生成部40と光伝導アンテナ50とが一体化、すなわち同一基板10上に集積されており、光パルスが導波する量子井戸層32を含む活性層16が光パルス生成部40と光伝導アンテナ50とに一体化して配置されている。
なお、テラヘルツ波とは、周波数が、100GHz以上30THz以下の電磁波、特に、300GHz以上3THz以下の電磁波をいう。
Furthermore, the terahertz wave generation device 1 includes an optical
The terahertz wave means an electromagnetic wave having a frequency of 100 GHz to 30 THz, particularly an electromagnetic wave of 300 GHz to 3 THz.
次に、テラヘルツ波発生装置1を構成する光パルス生成部40と光伝導アンテナ50とについて説明する。
Next, the optical
光パルス生成部40は、コンタクト層22上に設けられた第2電極26aを有する順バイアス印加部42と、コンタクト層22上に設けられた第2電極26bを有する逆バイアス印加部44と、分布ブラッグ反射部46と、を有している。順バイアス印加部42は、電源52aから第1電極24と第2電極26aとの間に順方向の電圧が印加される。また、逆バイアス印加部44は、電源52bから第1電極24と第2電極26bとの間に逆方向の電圧が印加される。
The
順バイアス印加部42は、p型半導体である第2クラッド層18と、i型半導体である活性層16と、n型半導体である第1クラッド層14と、により構成されたpin構造である。よって、第1クラッド層14および第2クラッド層18の各々は、活性層16よりも禁制帯幅が大きく、屈折率が小さい層であるため、活性層16は光を増幅する機能を有する。また、第1クラッド層14および第2クラッド層18は、活性層16を挟んで、注入キャリア(電子および正孔)並びに光を閉じ込める機能を有する。
The forward
従って、第1電極24と第2電極26aとの間(pin構造部)に、順方向の電圧を印加すると、活性層16において電子と正孔とが再結合が起こり、この再結合により発光する。発光は連鎖的に誘導放出が起こる。発光した光は、逆バイアス印加部44と分布ブラッグ反射部46との境界面と、順バイアス印加部42の逆バイアス印加部44側とは反対側の端部である第1側面28aと、の間を往復することで光の強度が増幅される。
Therefore, when a forward voltage is applied between the
逆バイアス印加部44も、p型半導体である第2クラッド層18と、i型半導体である活性層16と、n型半導体である第1クラッド層14と、により構成されたpin構造である。しかし、第1電極24と第2電極26bとの間(pin構造部)に、逆方向の電圧を印加すると、入射光量が大きいほど吸収率が低い特性を有する可飽和吸収体となる。
The reverse
そのため、順バイアス印加部42で生成した光は、光の波形における裾部がピーク部に比べ吸収率が高いので、可飽和吸収体である逆バイアス印加部44を通過すればするほど、光の波形における裾部がカットされ、パルス幅の狭い光パルスとなる。また、可飽和吸収体は、発光した光の位相を揃える働きもするため、何回も逆バイアス印加部44を通過することにより位相が揃い光パルスが圧縮してパルス幅が減少した光パルスを生成することができる。
For this reason, the light generated by the forward
なお、順バイアス印加部42では、複数の縦モードで発光するため、順バイアス印加部42および逆バイアス印加部44では、複数の波長を有するパルス幅の狭い光パルスを生成させることができる。順バイアス印加部42および逆バイアス印加部44で生成された光パルスは、順バイアス印加部42側の量子井戸層32の第1側面28aから外部へ、また、逆バイアス印加部44と分布ブラッグ反射部46との境界面から分布ブラッグ反射部46へ、出射される。
Since the forward
分布ブラッグ反射部46は、第1クラッド層14と、活性層16を構成する量子井戸層32と、第2クラッド層18と、を含み構成されている。第2クラッド層18は、量子井戸層32側に向かって複数の凸部48を有している。第2クラッド層18の凸部48が周期的に配置されていることにより、回折格子として作用し、特定の波長の光を選択的に反射させることができる。そのため、順バイアス印加部42および逆バイアス印加部44で生成された複数の波長を有する光パルスの中から所望の波長の光パルスのみを透過し光伝導アンテナ50へ入射することができる。
The distributed
なお、活性層16のガイド層30の幅寸法L1と、第2クラッド層18の凸部48の幅寸法L2と、はガイド層30および第2クラッド層18の屈折率nが同じとすると、(m×λ0/4×n)となるように配置されている。ここで、回折次数mは自然数であり通常は1であり、所望の光の波長λ0が800nmで、屈折率nが3.5であると、L1とL2とは57nmとなる。
If the width dimension L1 of the
光伝導アンテナ50は、コンタクト層22上に設けられた第2電極26cを有し、電源52cから第1電極24と第2電極26cとの間に逆方向の電圧が印加される。
光伝導アンテナ50に逆バイアス電圧を印加することにより、分布ブラッグ反射部46を透過し光伝導アンテナ50に入射した所望の波長の光パルスの光キャリアの加速度が大きくなるため、発生するテラヘルツ波の強度を大きくすることができる。
また、光伝導アンテナ50で発生したテラヘルツ波は、光伝導アンテナ50の分布ブラッグ反射部46側とは反対側の量子井戸層32の第2側面28bから出射される。
The
By applying a reverse bias voltage to the
Further, the terahertz wave generated by the
以上で述べたように、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1は、光パルス生成部40で生成した光パルスを導波する量子井戸層32が光パルス生成部40と、テラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナ50と、に一体化して形成されているため、光パルス生成部40と光伝導アンテナ50との光導波路同士のアライメントが不要となり、効率良くテラヘルツ波を発生させることができる。また、光パルス生成部40に逆バイアス印加部44が設けられているため、生成した光パルスを圧縮してパルス幅を減少させることができ、高い強度を有する光パルスを生成させることができる。更に、逆バイアス印加部44と光伝導アンテナ50との間に分布ブラッグ反射部46が設けられているため、順バイアス印加部42および逆バイアス印加部44で生成された複数の波長を有する光パルスの中から所望の波長の光パルスのみを透過し、光伝導アンテナ50へ入射させることができ、所望の波長を有するテラヘルツ波を効率良く発生させることができる。
As described above, in the terahertz wave generation device 1 according to this embodiment, the
また、第2クラッド層18が量子井戸層32側に向かって複数の凸部48を有していることにより、特定の波長の光パルスだけを反射するブラッグ反射ミラーを構成することができるため、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナ50へ導波し、所望の波長を有するテラヘルツ波を効率良く発生させることができる。
In addition, since the
また、光伝導アンテナ50に逆バイアス電圧を印加することにより、光キャリアの加速度が大きくなる。そのため、光伝導アンテナ50から出射されるテラヘルツ波の強度を大きくすることができる。
Moreover, by applying a reverse bias voltage to the
[製造方法]
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1の製造方法について、図3Aから図3Fを参照して説明する。
図3A、図3B、および図3Cは、テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図1におけるA−A線の概略断面図である。図3D、図3E、および図3Fは、テラヘルツ波発生装置の製造工程を説明する図1におけるB−B線の概略断面図である。
[Production method]
Next, a method for manufacturing the terahertz wave generator 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A to 3F.
3A, 3B, and 3C are schematic cross-sectional views taken along line AA in FIG. 1 for explaining the manufacturing process of the terahertz wave generation device. 3D, 3E, and 3F are schematic cross-sectional views taken along the line BB in FIG. 1 for explaining the manufacturing process of the terahertz wave generation device.
先ず、基板10を準備し、図3Aに示すように、基板10上に、バッファー層12、第1クラッド層14、およびガイド層30と量子井戸層32とバリア層34とを積層することで構成される活性層16を、この順でエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長させる方法としては、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法などを用いることができる。
First, the
次に、図3Bに示すように、活性層16を構成するガイド層30に溝部49を形成する。溝部49は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成される。
Next, as shown in FIG. 3B, a
その後、図3Cに示すように、溝部49が形成されている活性層16を構成するガイド層30上に、第2クラッド層18とコンタクト層22とを、この順で、例えば、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法などを用いて、エピタキシャル成長させる。
Thereafter, as shown in FIG. 3C, the
次に、図3Dに示すように、第2クラッド層18とコンタクト層22とに光パルスの導波路となる凸部48aを形成する。凸部48aは、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成される。
Next, as shown in FIG. 3D, a
その後、図3Eに示すように、凸部48aを除く第2クラッド層18上に絶縁層20を形成する。絶縁層20は、例えば、スピンコーターなどで塗布後、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 3E, the insulating
次に、図3Fに示すように、絶縁層20とコンタクト層22上に第2電極26aを形成する。第2電極26aは、例えば、真空蒸着法により全面に形成した後、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成される。なお、本実施形態では、順バイアス印加部42の第2電極26aを一例として説明しているが、逆バイアス印加部44の第2電極26bや光伝導アンテナ50の第2電極26cも同様の方法で形成される。
Next, as illustrated in FIG. 3F, the
その後、基板10のバッファー層12側とは反対側に第1電極24を形成する。第1電極24は、例えば、真空蒸着法により基板10の全面に形成してもよいが、第2電極26aと同様に全面に形成した後、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いてパターニングして形成しても構わない。
なお、第1電極24および第2電極26aの形成順序は、特に限定されない。
Thereafter, the
In addition, the formation order of the
以上の工程により、光パルスが導波する量子井戸層32を含む活性層16が光パルス生成部40と、光伝導アンテナ50と、に一体化して形成され、同一基板10上に集積されて、効率良くテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置1を製造することができる。
Through the above steps, the
なお、本実施形態のテラヘルツ波発生装置1は、外形の大きさが厚みが約0.35mm、短手方向の長さが約2mm、長手方向の長さが約10mmと非常に小型化でき、半導体設備を用いて大量生産することができるので、大幅な低コスト化を図ることができる。 In addition, the terahertz wave generator 1 of the present embodiment can be very downsized with an outer shape having a thickness of about 0.35 mm, a short side length of about 2 mm, and a long side length of about 10 mm. Since it can be mass-produced using a semiconductor facility, a significant cost reduction can be achieved.
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1aについて、図4を参照して説明する。
図4は、本発明の第2実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す概略断面図である。
以下、第2実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1aについて、前述した第1実施形態のテラヘルツ波発生装置1との相違点を中心に説明する。また、同様の構成には、同一符号を付してあり、同様の事項については、その説明を省略する。
Second Embodiment
Next, a
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the terahertz wave generation device according to the second embodiment of the present invention.
Hereinafter, the
第2実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1aは、図4に示すように、分布ブラッグ反射部46aの構成が異なる。
テラヘルツ波発生装置1aにおける分布ブラッグ反射部46aは、第1クラッド層14と、活性層16を構成する量子井戸層32と、第2クラッド層18と、を含み構成されている。第2クラッド層18は、量子井戸層32側とは反対側に開口する複数の溝部49aを有している。第2クラッド層18の溝部49aが周期的に配置されていることにより、回折格子として作用し、特定の波長の光を選択的に反射させることができる。そのため、順バイアス印加部42および逆バイアス印加部44で生成された複数の波長を有する光パルスの中から所望の波長の光パルスのみを透過し光伝導アンテナ50へ入射することができる。
As shown in FIG. 4, the
The distributed
なお、活性層16のガイド層30および第2クラッド層18の幅寸法L3は、ガイド層30および第2クラッド層18の屈折率nが3.5と同じとすると、(m×λ0/4×n)より、回折次数mを1とし、所望の光の波長λ0が800nmであると、第1実施形態のL1と同様に57nmとなる。また、活性層16のガイド層30および第2クラッド層18の溝部49aの幅寸法L4は、溝部49aが空気であるため、(m×λ0/4)である。そのため、回折次数mを1とし、所望の光の波長λ0が800nmであると、L4は200nmとなる。従って、溝部49aは、幅寸法L3とL4が57nmと200nmの間隔で配置されている。
The width dimension L3 of the
このような構成とすることにより、特定の波長の光パルスだけを反射するブラッグ反射を構成することができるため、光パルス生成部40aで生成した光パルスにおいて、所望の波長の光パルスのみを光伝導アンテナ50へ導波し、所望の波長を有するテラヘルツ波を発生させることができる。
By adopting such a configuration, it is possible to configure a Bragg reflection that reflects only an optical pulse having a specific wavelength. Therefore, in the optical pulse generated by the
[イメージング装置]
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1を備えたイメージング装置100について、図5から図8を参照して説明する。
図5は、本発明の実施形態に係るイメージング装置の構成を示すブロック図である。図6は、図5に示すイメージング装置のテラヘルツ波検出部を示す平面図である。図7は、対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフである。図8は、対象物の物質A、B、およびCの分布を示す画像の図である。
[Imaging equipment]
Next, an
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of the imaging apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a plan view showing a terahertz wave detection unit of the imaging apparatus shown in FIG. FIG. 7 is a graph showing the spectrum of the target in the terahertz band. FIG. 8 is a diagram of an image showing the distribution of the substances A, B, and C of the object.
イメージング装置100は、図5に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置1と、テラヘルツ波発生装置1から出射し、対象物110を透過または反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部120と、テラヘルツ波検出部120の検出結果に基づいて、対象物110の画像、すなわち、画像データを生成する画像形成部130とを備えている。なお、テラヘルツ波発生装置1については、その説明を省略する。
As illustrated in FIG. 5, the
また、テラヘルツ波検出部120としては、図6に示すように、目的の波長のテラヘルツ波を通過させるフィルター150と、フィルター150を通過した前記目的の波長のテラヘルツ波を検出する検出部170とを備えたものを用いる。また、検出部170としては、例えば、テラヘルツ波を熱に変換して検出するもの、すなわち、テラヘルツ波を熱に変換し、そのテラヘルツ波のエネルギー(強度)を検出し得るものを用いる。このような検出部としては、例えば、焦電センサー、ボロメーター等が挙げられる。なお、テラヘルツ波検出部120としては、前記の構成のものに限定されないことは、言うまでもない。
Further, as shown in FIG. 6, the terahertz
また、フィルター150は、2次元的に配置された複数の画素(単位フィルター部)160を有している。すなわち、各画素160は、行列状に配置されている。
また、各画素160は、互いに異なる波長のテラヘルツ波を通過させる複数の領域、すなわち、通過させるテラヘルツ波の波長(以下、「通過波長」とも言う)が互いに異なる複数の領域を有している。なお、図示の構成では、各画素160は、第1の領域161、第2の領域162、第3の領域163、および第4の領域164を有している。
The
Each
また、検出部170は、フィルター150の各画素160の第1の領域161、第2の領域162、第3の領域163および第4の領域164に対応してそれぞれ設けられた第1の単位検出部171、第2の単位検出部172、第3の単位検出部173、および第4の単位検出部174を有している。各第1の単位検出部171、各第2の単位検出部172、各第3の単位検出部173、および各第4の単位検出部174は、それぞれ、各画素160の第1の領域161、第2の領域162、第3の領域163、および第4の領域164を通過したテラヘルツ波を熱に変換して検出する。これにより、各画素160のそれぞれにおいて、4つの目的の波長のテラヘルツ波をそれぞれ確実に検出することができる。
The
次に、イメージング装置100の使用例について説明する。
先ず、分光イメージングの対象となる対象物110が、3つの物質A、BおよびCで構成されているとする。イメージング装置100は、この対象物110の分光イメージングを行う。また、ここでは、一例として、テラヘルツ波検出部120は、対象物110を反射したテラヘルツ波を検出することとする。
テラヘルツ波検出部120のフィルター150の各画素160においては、第1の領域161および第2の領域162を使用する。
Next, a usage example of the
First, it is assumed that the
In each
また、第1の領域161の通過波長をλ1、第2の領域162の通過波長をλ2とし、対象物110で反射したテラヘルツ波の波長λ1の成分の強度をα1、波長λ2の成分の強度をα2としたとき、その強度α2と強度α1の差分(α2−α1)が、物質Aと物質Bと物質Cとで、互いに顕著に区別できるように、前記第1の領域161の通過波長λ1および第2の領域162の通過波長λ2が設定されている。
Further, the transmission wavelength of the
図7に示すように、物質Aにおいては、対象物110で反射したテラヘルツ波の波長λ2の成分の強度α2と波長λ1の成分の強度α1の差分(α2−α1)は、正値となる。
また、物質Bにおいては、強度α2と強度α1の差分(α2−α1)は、零となる。
また、物質Cにおいては、強度α2と強度α1の差分(α2−α1)は、負値となる。
As shown in FIG. 7, in the substance A, the difference (α2−α1) between the intensity α2 of the component with wavelength λ2 of the terahertz wave reflected by the
In the substance B, the difference (α2−α1) between the intensity α2 and the intensity α1 is zero.
Further, in the substance C, the difference (α2−α1) between the intensity α2 and the intensity α1 is a negative value.
イメージング装置100により、対象物110の分光イメージングを行う際は、先ず、テラヘルツ波発生装置1により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物110に照射する。そして、対象物110で反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部120で、α1およびα2として検出する。この検出結果は、画像形成部130に送出される。なお、この対象物110へのテラヘルツ波の照射および対象物110で反射したテラヘルツ波の検出は、対象物110の全体に対して行う。
When spectral imaging of the
画像形成部130においては、前記検出結果に基づいて、フィルター150の第2の領域162を通過したテラヘルツ波の波長λ2の成分の強度α2と、第1の領域161を通過したテラヘルツ波の波長λ1の成分の強度α1の差分(α2−α1)を求める。そして、対象物110のうち、前記差分が正値となる部位を物質A、前記差分が零となる部位を物質B、前記差分が負値となる部位を物質Cと判断し、特定する。
In the
また、画像形成部130では、図8に示すように、対象物110の物質A、B、およびCの分布を示す画像の画像データを作成する。この画像データは、画像形成部130から図示しないモニターに送出され、そのモニターにおいて、対象物110の物質A、B、およびCの分布を示す画像が表示される。この場合、例えば、対象物110の物質Aの分布する領域は黒色(図8では交差線で示す)、物質Bの分布する領域は灰色(図8では斜線で示す)、物質Cの分布する領域は白色に色分けして表示される。このイメージング装置100では、以上のように、対象物110を構成する各物質の同定と、その各物質の分布測定とを同時に行うことができる。
Further, the
なお、イメージング装置100の用途は、前記のものに限らず、例えば、人物に対してテラヘルツ波を照射し、その人物を透過または反射したテラヘルツ波を検出し、画像形成部130において処理を行うことにより、その人物が、拳銃、ナイフ、違法な薬物等を所持しているか否かを判別することもできる。
The use of the
[カメラ]
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1を備えたカメラ200について、図9および図10を参照して説明する。
図9は、本発明の実施形態に係るカメラの構成を示すブロック図である。図10は、本発明の実施形態に係るカメラの構成を示す斜視図である。
以下、カメラ200の実施形態について、前述したイメージング装置100の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその詳細な説明を省略する。
[camera]
Next, the
FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the camera according to the embodiment of the present invention. FIG. 10 is a perspective view showing the configuration of the camera according to the embodiment of the present invention.
Hereinafter, the embodiment of the
カメラ200は、図9および図10に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置1と、テラヘルツ波発生装置1から出射し、対象物210にて反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部220とを備えている。そして、これらの各部はカメラ200の筐体250に収められている。また、対象物210にて反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部220に収束(結像)させるレンズ260と、テラヘルツ波発生装置1にて発生したテラヘルツ波を筐体250の外部へ出射させるための窓部270を備える。レンズ260や窓部270はテラヘルツ波を透過・屈折させるシリコン、石英、ポリエチレンなどの部材によって構成されている。なお、窓部270は、スリットのように単に開口が設けられている構成としても良い。
As shown in FIGS. 9 and 10, the
次に、カメラ200の使用例について説明する。
カメラ200により、対象物210を撮像する際は、先ず、テラヘルツ波発生装置1により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物210に照射する。そして、対象物210にて反射したテラヘルツ波をレンズ260によってテラヘルツ波検出部220に収束(結像させて)検出する。この検出結果は、記憶部230に送出され、記憶される。なお、この対象物210へのテラヘルツ波の照射および対象物210にて反射したテラヘルツ波の検出は、対象物210の全体に対して行う。また、前記検出結果は、例えば、パーソナルコンピューター等の外部装置に送信することもできる。パーソナルコンピューターでは、前記検出結果に基づいて、各処理を行うことができる。
Next, a usage example of the
When imaging the
[計測装置]
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1を備えた計測装置300について、図11を参照して説明する。
図11は、本発明の実施形態に係る計測装置の構成を示すブロック図である。
以下、計測装置300の実施形態について、前述したイメージング装置100の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその詳細な説明を省略する。
[Measurement equipment]
Next, a
FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
Hereinafter, the embodiment of the
計測装置300は、図11に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置1と、テラヘルツ波発生装置1から出射し、対象物310を透過または反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部320と、テラヘルツ波検出部320の検出結果に基づいて、対象物310を計測する計測部330とを備えている。
As shown in FIG. 11, the
次に、計測装置300の使用例について説明する。
計測装置300により、対象物310の分光計測を行う際は、先ず、テラヘルツ波発生装置1により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物310に照射する。そして、対象物310を透過または反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部320で検出する。この検出結果は、計測部330に送出される。なお、この対象物310へのテラヘルツ波の照射および対象物310を透過または反射したテラヘルツ波の検出は、対象物310の全体に対して行う。
Next, a usage example of the measuring
When spectroscopic measurement of the
計測部330においては、前記検出結果から、図6に示すイメージング装置100のテラヘルツ波検出部120と同様に、テラヘルツ波検出部320内のフィルター150の第1の領域161、第2の領域162、第3の領域163および第4の領域164を通過したテラヘルツ波のそれぞれの強度を把握し、対象物310の成分およびその分布の分析等を行う。
In the
[テラヘルツ分光分析装置]
次に、本発明の実施形態に係るテラヘルツ波発生装置1を備えた計測装置300としてのテラヘルツ分光分析装置300aについて、図12を参照して説明する。
図12は、本発明の実施形態に係る計測装置としてのテラヘルツ分光分析装置の構成を示すブロック図である。
以下、テラヘルツ分光分析装置300aの実施形態について、前述した計測装置300の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその詳細な説明を省略する。
[Terahertz spectrometer]
Next, a terahertz
FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration of a terahertz spectroscopic analysis apparatus as a measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.
Hereinafter, the embodiment of the terahertz spectroscopy analyzer 300a will be described with a focus on differences from the above-described embodiment of the
テラヘルツ分光分析装置300aは、図12に示すように、テラヘルツ波および光パルスを出射するテラヘルツ波発生装置1と、対象物310aを透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部320aと、テラヘルツ波検出部320aの検出結果に基づいて対象物310aを計測する計測部330aと、を備え、更に、テラヘルツ波発生装置1からテラヘルツ波検出部320aまでの光パルスの光路長を変化させる遅延光学系350を備えている。
As shown in FIG. 12, the
次に、テラヘルツ分光分析装置300aの使用例について説明する。
テラヘルツ分光分析装置300aにより、対象物310aの分光計測を行う際は、先ず、テラヘルツ波発生装置1からテラヘルツ波および光パルスを出射する。
テラヘルツ波発生装置1から出射したテラヘルツ波は、曲面ミラー340aで集光され対象物310aに照射される。対象物310aを透過したテラヘルツ波は再び曲面ミラー340bで集光され、テラヘルツ波検出部320aに入射される。
Next, a usage example of the terahertz spectrometer 300a will be described.
When performing spectroscopic measurement of the object 310a by the terahertz spectrometer 300a, first, a terahertz wave and an optical pulse are emitted from the terahertz wave generator 1.
The terahertz wave emitted from the terahertz wave generation device 1 is collected by the
テラヘルツ波発生装置1から出射した光パルスは、反射ミラー360aで反射され、テラヘルツ波発生装置1からテラヘルツ波検出部320aまでの光パルスの光路長を変化させる遅延光学系350に入射される。遅延光学系350は、4つの反射ミラー360b,360c,360d,360eで構成され、4つの反射ミラー360b,360c,360d,360eの間隔を調整することにより光路長を変化させ、テラヘルツ波検出部320aへの到達時間を遅延させることができる。
遅延光学系350を通過した光パルスは、反射ミラー360fで反射され、テラヘルツ波検出部320aに入射される。
The light pulse emitted from the terahertz wave generation device 1 is reflected by the
The light pulse that has passed through the delay
なお、本実施形態では遅延光学系350を4つの反射ミラー360b,360c,360d,360eを用いているが、これに限定されることはなく、2つ又は3つ、或いは5つ以上の構成であってもよい。
In this embodiment, the delay
テラヘルツ波検出部320aは、光伝導アンテナで構成される。テラヘルツ波検出部320aに対象物310aを透過したテラヘルツ波が入射されると、テラヘルツ波検出部320aのアンテナ部(図示せず)に電場が生じ、この部分に到達する時間が遅延した光パルスを照射すると、テラヘルツ波の電場強度に応じた光電流が流れる。光電流の電流値、すなわち電場強度の値から計測部330aで所定の理論式に基づいて演算することにより、対象物310aの電気的特性や不純物濃度等が得られる。これらの測定値は必要に応じてディスプレイ(図示せず)に表示される。
The terahertz
また、テラヘルツ波発生装置1から出射した光パルスのテラヘルツ波検出部320aへ到達する遅延時間を変更しながら、テラヘルツ波検出部320aで検出される対象物310aを透過したテラヘルツ波の電場強度を測定することにより、時系列テラヘルツ分光が可能となる。
Further, the electric field intensity of the terahertz wave transmitted through the object 310a detected by the terahertz
以上、本発明のテラヘルツ波発生装置1,1a、イメージング装置100、カメラ200、計測装置300、およびテラヘルツ分光分析装置300aについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
As described above, the terahertz
1,1a…テラヘルツ波発生装置、10…基板、12…バッファー層、14…第1クラッド層、16…活性層、18…第2クラッド層、20…絶縁層、22…コンタクト層、24…第1電極、26a,26b,26c…第2電極、28a…第1側面、28b…第2側面、30…ガイド層、32…量子井戸層、34…バリア層、40…光パルス生成部、42…順バイアス印加部、44…逆バイアス印加部、46…分布ブラッグ反射部、48,48a…凸部、49,49a…溝部、50…光伝導アンテナ、52a,52b,52c…電源、100…イメージング装置、200…カメラ、300…計測装置、300a…テラヘルツ分光分析装置。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記量子井戸層を含む光伝導アンテナと、を有し、
前記光パルス生成部は、
順バイアス電圧が印加される順バイアス印加部と、
逆バイアス電圧が印加される逆バイアス印加部と、
前記量子井戸層を導波する光の一部を反射する分布ブラッグ反射部と、を含み、
前記光伝導アンテナは、
前記分布ブラッグ反射部を透過した光パルスを受けてテラヘルツ波を発生させることを特徴とするテラヘルツ波発生装置。 An optical pulse generator including a quantum well layer and generating an optical pulse;
A photoconductive antenna including the quantum well layer;
The optical pulse generator is
A forward bias application unit to which a forward bias voltage is applied;
A reverse bias application unit to which a reverse bias voltage is applied;
A distributed Bragg reflector that reflects a portion of the light guided through the quantum well layer,
The photoconductive antenna is
A terahertz wave generating apparatus, which receives a light pulse transmitted through the distributed Bragg reflector and generates a terahertz wave.
前記第2クラッド層は、前記量子井戸層側に向かって複数の凸部を有していることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生装置。 The distributed Bragg reflector has a first cladding layer, the quantum well layer, and a second cladding layer,
2. The terahertz wave generating device according to claim 1, wherein the second cladding layer has a plurality of convex portions toward the quantum well layer.
前記第2クラッド層は、前記量子井戸層側とは反対側に開口する複数の溝部を有していることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波発生装置。 The distributed Bragg reflector has a first cladding layer, the quantum well layer, and a second cladding layer,
2. The terahertz wave generating device according to claim 1, wherein the second cladding layer has a plurality of grooves that are opened to a side opposite to the quantum well layer side.
前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて対象物の画像を生成する画像形成部と、
を備えていることを特徴とするイメージング装置。 The terahertz wave generator according to any one of claims 1 to 4,
A terahertz wave detector that detects a terahertz wave that is emitted from the terahertz wave generator and is transmitted or reflected by the object;
An image forming unit that generates an image of an object based on a detection result of the terahertz wave detection unit;
An imaging apparatus comprising:
前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物にて反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
を備えていることを特徴とするカメラ。 The terahertz wave generator according to any one of claims 1 to 4,
A terahertz wave detector that detects the terahertz wave that is emitted from the terahertz wave generator and reflected by the object;
A storage unit for storing a detection result of the terahertz wave detection unit;
A camera characterized by comprising:
前記テラヘルツ波発生装置から出射し、対象物を透過又は反射したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて対象物を計測する計測部と、
を備えていることを特徴とする計測装置。 The terahertz wave generator according to any one of claims 1 to 4,
A terahertz wave detector that detects a terahertz wave that is emitted from the terahertz wave generator and is transmitted or reflected by the object;
A measurement unit that measures an object based on a detection result of the terahertz wave detection unit;
A measuring device comprising:
前記テラヘルツ波発生装置から前記テラヘルツ波検出部までの光パルスの光路長を変化させる遅延光学系を備えていることを特徴とする請求項7に記載の計測装置。 The terahertz wave detection unit is irradiated with a light pulse emitted from the terahertz wave generator,
The measurement apparatus according to claim 7, further comprising a delay optical system that changes an optical path length of an optical pulse from the terahertz wave generation apparatus to the terahertz wave detection unit.
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