JP2017112274A - テラヘルツ帯電磁波発振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したテラヘルツ波の放射が可能であり、かつ発振周波数の制御も可能な、テラヘルツ素子を備えたテラヘルツ帯電磁波発振装置を提供する。【解決手段】テラヘルツ帯電磁波発振装置が、超伝導体のテラヘルツ素子と、テラヘルツ素子を搭載するパッケージであって、金属製の熱浴部と、熱浴部に設けられ、テラヘルツ素子を載置する平面を備えた収容部と、収容部の平面内に設けられた開口部と、開口部に設けられ、テラヘルツ素子から放射されるテラヘルツ光を透過するレンズとを含むパッケージと、収容部の中に、テラヘルツ素子を覆うように設けられた封止樹脂とを含み、テラヘルツ素子は、収容部に設けられた固定具により、収容部の平面と直接接触した状態で固定される。【選択図】図１

Description

本発明は、高温超伝導体のテラヘルツ素子を用いたテラヘルツ帯域の電磁波を発振するテラヘルツ帯電磁波発信装置に関する。

テラヘルツ波（０．１〜１０ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波）には、様々な物質を透過するとともに、水や水蒸気によく吸収されるという特徴があり、多くの物質はテラヘルツ波帯に特徴的な吸収スペクトルを有する。このような性質から、テラヘルツ波は、非破壊検査・化学分析・医療診断といった分野での応用が期待されており、テラヘルツ波を利用した情報通信技術の開発も行われている。

このように、テラヘルツ波は非常に有用な電磁波であるが、従来から電波あるいは光の領域で用いられてきた発振源の出力は、テラヘルツ帯域に近づくにつれて急激に低下する傾向があった。そして、テラヘルツ帯域に簡便な発振器や高感度の検出器が存在しない状況は「テラヘルツギャップ」と呼ばれ、これを解消するために様々な側面から技術開発が進められた。従来のテラヘルツ波の発振方法としては、量子カスケードレーザー、後進波管、自由電子レーザー、シンクロトロン放射、フォトミキシング等を利用した発振方法が公知である。しかし、これらの発振方法には、発振効率が悪く低出力である上に、大掛かりな付帯装置が必要であるといった実用上の問題があった。

一方で、高温超伝導体は５０ｍｅＶにおよぶ超伝導ギャップを有しているため、超伝導状態でテラヘルツ波の励起が可能であり、その結晶構造に含まれる固有ジョセフソン接合を用いたテラヘルツ素子は、コンパクトかつ高効率・大出力の新たなテラヘルツ波源として期待されている。高温超伝導体として、ビスマス・ストロンチウム・カルシウム・銅酸化物（以下、「ＢＳＣＣＯ」と呼ぶ）を使用したテラヘルツ素子は、例えば以下の特許文献１〜４に提案されている。

特開２００９−４３７８７号公報 特開２００９−２２４４８１号公報 特開２００９−２２４４８２号公報 特願２０１３−２４７４７２号公報

上述のテラヘルツ素子は、ＢＳＣＣＯ単結晶基板上に作製した台形状のメサ構造部に電流を印加することにより、テラヘルツ波を放射させるものであるが、この電流による発熱のためにテラヘルツ素子の温度が上昇し、発振中に超伝導領域が減少して発振強度が減少するという問題があった。

また、従来のテラヘルツ素子では、発振特性が温度に強く依存するため、テラヘルツ素子の発振特性の再現性が悪い、つまりテラヘルツ素子毎に発振特性が異なるという問題があった。

さらに、テラヘルツ素子の形状が平板であるため、どの方向にテラヘルツ波が発振しているかわかりにくいという問題もあった。以上のような理由により、テラヘルツ光源の普及は著しく遅れている。

そこで、本発明は、従来のテラヘルツ素子が有する上記課題を解決するものであり、安定したテラヘルツ波の放射が可能であり、かつ発振周波数の制御も可能な、テラヘルツ素子を備えたテラヘルツ帯電磁波発振装置の提供を目的とする。また、本発明は、テラヘルツ素子の温度を正確に制御できるパッケージの提供を目的とする。

そこで、発明者らは鋭意研究の結果、テラヘルツ素子とパッケージとの接続状態がテラヘルツ素子の放熱特性に影響し、テラヘルツ素子毎に放熱特性が異なったり、テラヘルツ素子の発振中に、発光強度が減少していたことを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の一つの態様は、テラヘルツ帯電磁波発振装置であって、
超伝導体のテラヘルツ素子と、
テラヘルツ素子を搭載するパッケージであって、
金属製の熱浴部と、
熱浴部に設けられ、テラヘルツ素子を載置する平面を備えた収容部と、
収容部の平面内に設けられた開口部と、
開口部に設けられ、テラヘルツ素子から放射されるテラヘルツ光を透過するレンズと、を含むパッケージと、
収容部の中に、テラヘルツ素子を覆うように設けられた封止樹脂と、を含み、
テラヘルツ素子は、収容部に設けられた固定具により、収容部の平面と直接接触した状態で固定されることを特徴とするテラヘルツ帯電磁波発振装置である。

以上で述べたように、本発明の一つの態様にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置では、テラヘルツ素子と熱浴部が直接接触するため、テラヘルツ素子のメサ構造部で発生した熱を効率よく放出でき、高性能かつ安定したテラヘルツ帯電磁波発振装置を得ることができる。

また、テラヘルツ帯電磁波発振装置毎の放熱特性のばらつきを防止し、所定の性能のテラヘルツ帯電磁波発振装置を再現性良く得ることができる。

また、平行光の放射が可能なテラヘルツ帯電磁波発振装置を得ることができる。

本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置の斜視図であり、（ａ）は上面斜視図、（ｂ）は底面斜視図である。 本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置の部分断面図である。 本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ素子の一部の斜視図である。 本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ素子の一部の拡大斜視図である。 テラヘルツ素子の発振特性の比較を示すグラフであり、（ａ）はパッケージ無しの場合、（ｂ）は本発明の実施の形態にかかるパッケージを用いた場合である。

図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置の斜視図であり、（ａ）が上面側から見た場合、（ｂ）が底面側から見た場合の斜視図を示す。

テラヘルツ帯電磁波発振装置１００は、パッケージ５０と、パッケージ５０に搭載されたテラヘルツ素子２０と、パッケージ５０を低温装置等に固定するねじ１０を含む。

パッケージ５０は、熱浴部１を含む。熱浴部１は、熱伝導性の高い金属、例えば銅、特に無酸素銅、アルミニウムからなる。熱浴部１は、例えば長辺の長さが約２０〜３０ｍｍ、短辺の長さが約１５〜２０ｍｍ、最大厚さが約４〜５ｍｍである。図１（ｂ）に示すように、熱浴部１はその一部が窪み、収容部２が設けられている。収容部２は、例えば一辺が約１２ｍｍの正方形で、深さが約３ｍｍの窪みからなる。

収容部２の底面は平坦で、さらにテラヘルツ素子２０を配置する領域に凹部３が設けられている。凹部３の中央には、テラヘルツ素子２０から放射されるテラヘルツ波を通す開口部が設けられている。

凹部３の周囲には、固定具として、板状のクランプ４と、クランプ４を固定するねじ５が設けられている。ねじ５は、クランプ４に設けられた穴を通って、熱浴部１に設けられたねじ穴に固定される。クランプ４は、バネ性と熱伝導性に優れた材料、例えばりん青銅からなり、例えば、一辺の長さが約３．０〜４．０ｍｍの長方形で、厚さが０．５ｍｍ以下の板材からなる。また、ねじ５には、例えばＭ２サイズのねじが用いられる。

テラヘルツ素子２０は、凹部３の中に配置され、ねじ５を締めることで、テラヘルツ素子２０のサファイア基板がクランプ４で熱浴部１に押しつけられて固定される。ここでは、クランプ４およびねじ５を４組としたが、これに限るものではない。また、１つのクランプ４を複数のねじ５で固定しても良い。

なお、固定具は、ねじ５とクランプ４の他に、ビスとクランプ、ビスやねじとクランプが一体となったものなど、テラヘルツ素子２０を熱浴部１に直接接触した状態で固定できるものであれば他の構造であっても良い。

ここで、テラヘルツ素子２０から熱浴部１への熱伝導は、両者の接触面積と接触面のインピーダンスで決まる。本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置１００では、テラヘルツ素子２０を直接、熱浴部１に接触させて、クランプ４で固定するため、極めて高い熱伝導性が得られる。これにより、テラヘルツ素子２０の温度を、熱浴部１の温度とほぼ同一にできる。

なお、従来は、銀ペーストを用いてテラヘルツ素子を直接熱浴部に固定していたが、テラヘルツ素子毎に銀ペーストの厚さが異なり、放熱特性の再現性が低かった。また、銀ペーストが経時変化するため、放熱特性もそれに伴い変化した。これに対して、本発明の実施の形態にかかる構造では、テラヘルツ素子２０を直接、熱浴部１に接触させて固定するため、再現性があり、かつ安定した放熱特性を得ることができる。

熱浴部１には、周囲が絶縁されたフィードスルー１１が設けられている。テラヘルツ素子２０の金属電極とフィードスルー１１をリード線で接続し、外側からフィードスルー１１に電圧を印加することにより、テラヘルツ帯電磁波発振装置１００の外部からテラヘルツ素子２０に電圧を印加できる。

図１には示さないが、テラヘルツ素子２０を固定した後に、熱浴部１の収容部２の中には、例えば熱伝導率の高いエポキシ樹脂（図示せず）が注入され、テラヘルツ素子２０は樹脂封止される。エポキシ樹脂は、例えば収容部２を埋めるように充填されることが好ましい。このようにテラヘルツ素子２０を樹脂封止することで、テラヘルツ素子２０で発生した熱は、収容部２の底面方向（熱浴部１の方向）だけでなく、樹脂方向からも放出され、放熱効果が向上する。

また、テラヘルツ素子２０を樹脂で封止することにより、酸化物であるＢＳＣＣＯ単結晶と外部雰囲気との接触を防止できる。これにより、ＢＳＣＣＯの経時変化に起因するテラヘルツ素子２０の発振特性の経時変化を防止し、安定した発振を得ることができる。

図１（ａ）に示すように、テラヘルツ帯電磁波発振装置１００の上面では、熱浴部１の凹部３の中央に設けられた開口部を覆うようにレンズ７が設けられ、その上に、レンズを押さえて固定するレンズサポート８が取り付けられる。レンズサポート８は、ねじ９により熱浴部１に取り付けられる。

図２は、テラヘルツ帯電磁波発振装置１００の部分断面図であり、図２中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。図２では、収容部２に設けられた開口部６を覆うように、レンズ７が配置され、レンズサポート８で周囲が覆われて固定されている。レンズ７には、例えばシリコンの半球レンズが用いられる。また、レンズサポート８には、例えばテフロン（登録商標）が用いられる。図２には示さないが、レンズサポート８は、例えば熱浴部１にねじで固定される。

例えばレンズ７に用いられる半球レンズの半径は約４ｍｍ、開口部６の直径は約８ｍｍである。半球レンズの平面と、テラヘルツ素子２０に含まれるサファイア基板２１の底面との間の距離は、例えば約０．２ｍｍである。

図３は、パッケージ５０に固定されるテラヘルツ素子２０の一部の斜視図であり、図４は、テラヘルツ素子２０の一部（１本のメサ構造部２３周辺）の拡大斜視図である。テラヘルツ素子２０は、固有ジョセフソン接合を有する高温超伝導体ＢＳＣＣＯの単結晶とサファイア基板で構成され、ファブリペロー共振が励起される高温超伝導テラヘルツ素子である。

すなわち、テラヘルツ素子２０は、サファイア基板２１を含む。サファイア基板２１は、例えば一辺の長さが約６〜７ｍｍ、厚さが約０．３〜０．５ｍｍである。サファイア基板２１の上には、ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２が、接着剤で固定されている。接着剤は、例えばスタイキャスト１２６６（登録商標）のような粘度の低いエポキシ樹脂が好ましい。接着剤の厚さを小さくして、サファイア基板２１への放熱効率を向上させるためである。

また、ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２の厚さは、約１０μｍ以下が好ましい。ＢＳＣＣＯは、比較的熱伝導率の低い材料であるため、厚さを薄くして、その下にあるサファイア基板２１への放熱効率を向上させるためである。

ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２の上には、ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２の一部がエッチングされて、矩形のメサ構造部２３が設けられている。メサ構造部２３を構成するＢＳＣＣＯ単結晶と、ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２を構成するＢＳＣＣＯ単結晶は連続している。ここでは、メサ構造部２３を２つ設けたが、１つまたは３つ以上でも構わない。

ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２の表面は、ＢＳＣＣＯ単結晶のａｂ面と平行である。このため、メサ構造部２３には、ａｂ面内に拡がる、超伝導性のＣｕＯ_２層と絶縁性のＢｉＯ層との接合からなるジョセフソン接合（固有ジョセフソン接合）が多数含まれる。

メサ構造部２３は、ファブリペロー共振が励起されるような寸法で形成される。例えば、ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２の表面に平行なａｂ面内では、短辺の長さは約５０〜１００μｍ、長辺の長さは短辺の長さの３倍以上であることが好ましい。また、ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２の表面に垂直なｃ軸方向の高さは、約０．５〜２．０μｍ程度が好ましい。

図４に示すように、メサ構造部２３の上には、金属電極２７が設けられている。金属電極２７は、サファイア基板２１の上の金属電極２４に接続されている（図３参照）。一方、ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２の表面上には、金属電極２６が設けられている。金属電極２６は、サファイア基板２１の上まで延びている（図３参照）。

金属電極２４や金属電極２６には、フィードスルー１１を介して外部から電圧が印加される。そして、金属電極２４（すなわち金属電極２７）と金属電極２６との間に電圧を印加することにより、メサ構造部２３に、ｃ軸方向に電流が流れ、テラヘルツ素子２０が発振する。なお、メサ構造部２３の上の金属電極２７は、メサ構造部２３に電圧を印加するとともに、メサ構造部２３からの放熱にも寄与する。

メサ構造部２３やＢＳＣＣＯ単結晶基板２２の一部は、エポキシ樹脂等の絶縁膜２５により被覆されている。

金属電極２７と金属電極２６との間に電圧を印加することにより、テラヘルツ素子２０が発振して、図４に示すように、メサ構造部２３からテラヘルツ波３０が、全方向に放射される。メサ構造部２３から放射されたテラヘルツ波３０の一部は、ＢＳＣＣＯ単結晶基板２２、サファイア基板２１を透過した後、図２に示すように、レンズ７で集光されて平行光として空間に放射される。

テラヘルツ帯電磁波発振装置１００から放射されるテラヘルツ波３０を平行光にするには、点光源であるテラヘルツ素子２０のメサ構造部２３とレンズ７との距離や、レンズ７の焦点距離の調整が必要であるが、本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置１００では、メサ構造部２３とレンズ７との距離や、レンズ７の焦点距離を予め設定しておけるので、平行光を放射するテラヘルツ帯電磁波発振装置１００を再現性良く作製できる。

このように、本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置１００では、熱浴部１にレンズ７を取り付けることにより、ＬＥＤのように、指向性のあるテラヘルツ波３０を得ることが可能となる。

テラヘルツ帯電磁波発振装置１００は、ねじ１０を用いて、クライオスタット等の冷却装置（図示せず）に固定される。テラヘルツ帯電磁波発振装置１００と冷却装置の間も、熱浴部１が冷却装置に直接接触するように固定されるため、高い放熱特性を得ることができる。

図５は、テラヘルツ素子の発振特性の比較、すなわち、パッケージ無しのテラヘルツ素子と、本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置１００のテラヘルツ素子２０との、発振特性の比較である。（ａ）はパッケージ無し、（ｂ）はパッケージ有り（テラヘルツ帯電磁波発振装置）の場合を示す。また、図５では、横軸が電極間に印加される電圧（メサ構造部２３の上下に印加される電圧）、縦軸が電極間に流れる電流、およびテラヘルツ素子の温度に対応するボロメータ出力を示す。

（ａ）は、テラヘルツ素子が直接、低温装置（例えばクライオスタット）に銀ペーストで接続され、低温装置の温度を２０Ｋに設定した場合の測定結果である。一方、（ｂ）は、テラヘルツ素子を含むテラヘルツ帯電磁波発振装置１００が低温装置にねじ１０を用いて固定され、低温装置の温度を、同じく２０Ｋに設定した場合の測定結果である。なお、（ａ）および（ｂ）に使用したテラヘルツ素子は、同一特性のものである。

図５から分かるように、（ａ）パッケージ無しの場合、メサ構造部に印加可能な最大電圧は約１．０Ｖであったが、（ｂ）パッケージ有り（テラヘルツ帯電磁波発振装置１００）の場合は、最大電圧は約２．５Ｖに増大している。

一般に、テラヘルツ素子のメサ構造部に印加できる最大電圧は、テラヘルツ素子からの発熱を無視した場合は、超伝導ギャップの大きさに依存し、また低温装置の設定温度が高くなるほど最大電圧は小さくなる。

多重に積層した固有ジョセフソン接合を含むメサ構造部２３に電圧が印加された場合、発生するジュール熱のために、メサ構造部２３の温度は、一般に、低温装置の設定温度（図５では２０Ｋ）より高くなる。（ａ）パッケージ無しの場合は、銀ペーストを用いてテラヘルツ素子が低温装置に接続されているため、放熱効果が不十分となり、発熱によりメサ構造部２３の温度が上昇し、最大電圧は１．０Ｖに留まる。

これに対して、（ｂ）パッケージ有りの場合は、テラヘルツ素子を搭載したテラヘルツ帯電磁波発振装置１００を、冷却装置にねじ止めし、テラヘルツ帯電磁波発振装置１００の熱浴部１と冷却装置を直接接続する。このため、メサ構造部２３で発生した熱は、テラヘルツ素子２０から熱浴部１を介して低温装置に、接着剤を介さずに直接伝わり、放熱効果が高くなり、最大電圧も２．５Ｖと大きくなる。

メサ構造部２３に印加できる最大電圧が大きくなると、発振する電磁波の周波数範囲が広がる。なぜならば、発振する電磁波の周波数は、ジョセフソン接合に加わる電圧に比例するからである。図５（ｂ）では、連続的な電圧の変化（−２．５Ｖ〜＋２．５Ｖ）に対して、強度の差はあるが連続的な発振が検出されている。つまり、周波数の連続するテラヘルツ波（電磁波）３０が放射されていることを示している。

また、本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置１００において、低温装置の温度を２０Ｋから上昇させると、温度の上昇に伴って最大発振強度を与えるための電圧は減少するが、２０Ｋ〜４０Ｋの範囲ではテラヘルツ素子が安定して発振することが分かった。このことは、低温装置の温度、すなわちテラヘルツ帯電磁波発振装置１００の熱浴部１の温度を変化させることで、発信周波数を、連続的に変化させることができることを示している。

特に、発振が観察される冷却装置の設定温度の上限は、（ａ）従来のパッケージ無しの場合は５０Ｋであるのに対して、（ｂ）本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置１００では、７０Ｋとなり、テラヘルツ帯電磁波発振装置１００を用いることにより、放熱効率が向上していることがわかる。

以上で述べたように、本発明の実施の形態にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置１００では、テラヘルツ素子２０と熱浴部１が直接接触するため、テラヘルツ素子２０のメサ構造部２３で発生した熱を、熱浴部１を介して効率よく放出できる。また、テラヘルツ素子２０と熱浴部１が直接接触させるため、この放熱特性は、テラヘルツ帯電磁波発振装置毎にばらつかず、所定の放熱特性を有するテラヘルツ帯電磁波発振装置を、高い再現性で作製できる。更に、レンズを用いることより、指向性のあるテラヘルツ光を得ることができる。

本発明にかかるテラヘルツ帯電磁波発振装置は、テラヘルツ波の高い透過性を活かした非破壊検査・化学分析・医療診断等の分野での応用が可能であり、さらにテラヘルツ高速無線通信、宇宙観測用の局部発振器としても応用できる。

１ 熱浴部
２ 収容部
３ 凹部
４ クランプ
５ ねじ
６ 開口部
７ レンズ
８ レンズサポート
９ ねじ
１０ ねじ
１１ フィードスルー
２０ テラヘルツ素子
３０ テラヘルツ光
５０ パッケージ
１００ テラヘルツ帯電磁波発振装置

Claims (2)

1. テラヘルツ帯電磁波発振装置であって、
   超伝導体のテラヘルツ素子と、
   該テラヘルツ素子を搭載するパッケージであって、
   金属製の熱浴部と、
   該熱浴部に設けられ、該テラヘルツ素子を載置する平面を備えた収容部と、
   該収容部の平面内に設けられた開口部と、
   該開口部に設けられ、該テラヘルツ素子から放射されるテラヘルツ光を透過するレンズと、を含むパッケージと、
   該収容部の中に、該テラヘルツ素子を覆うように設けられた封止樹脂と、を含み、
   該テラヘルツ素子は、該収容部に設けられた固定具により、該収容部の平面と直接接触した状態で固定されることを特徴とするテラヘルツ帯電磁波発振装置。
2. 上記固定具は、板状のクランプと、該クランプに設けられた孔を通って、上記熱浴部に固定されたねじまたはビスであることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ帯電磁波発振装置。