JP2017515091A - 電磁放射を送信及び受信するためのシステム - Google Patents

Abstract

電磁放射を送信及び受信するためのシステムが、ビーム・スプリッタ及びトランシーバを含む。ビーム・スプリッタは、光パルスをポンプ・パルスとプローブ・パルスに分離するように構成される。トランシーバは、送信器スイッチ及び受信器スイッチを含むことができる。ポンプ・パルスは、送信器スイッチに向けられ、プローブ・パルスは受信器スイッチに向けられる。ポンプ・パルスが送信器スイッチに達すると、電磁放射がトランシーバから発せられる。電磁放射は、パルス化波形又は連続的な波形のいずれかのテラヘルツ放射とすることができる。

Description

本特許明細書は、２０１３年１２月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／９１７，１５１号の出願日の利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

連邦政府の資金援助による研究又は開発
本発明は、契約ＮＮＸ１２ＣＡ８１Ｃに基づき米航空宇宙局（ＮＡＳＡ）により授与された米国政府の助成を用いてなされた。米国政府は、本発明における一定の権利を有する。

本発明は、電磁放射を送信及び受信するためのトランシーバに関し、より詳細には、テラヘルツ放射を送信及び受信するためのトランシーバに関する。

高速光パルスが光伝導スイッチに達して半導体中に電子正孔対を生成することにより、得られる電荷キャリアが放射アンテナの光伝導部の間を流れると、テラヘルツ・パルスが装置によって生成され得る。次いで、これにより、アンテナから電磁パルスを発する。半導体内の深い準位のトラップによりキャリアのトラップ速度が速くなるため、光パルスが取り除かれると電荷キャリア集団はすぐに消える。これにより、超高速テラヘルツ電磁応答が生じる。使用される典型的な半導体は、低温成長ガリウム砒素、低温成長インジウム・ガリウム砒素、及び記載の特性をもつ適した他の材料を含む。半導体材料は、典型的に、入射する光パルスを効率的に吸収するのに適切なエネルギーの直接バンド・ギャップを用いて設計される。

発せられたテラヘルツ電磁放射を検出する受信アンテナは、構造及び寸法において送信アンテナと類似することが多い。受信アンテナと送信アンテナとの主な相違点は、受信アンテナが、アンテナの光伝導性ギャップ又はスイッチで小さなしかし測定可能な電界を形成する入射電磁放射を受信することである。この電界から得られる課された電圧バイアスは、受信アンテナの光伝導スイッチを閉じ誘導電流を測定することによって、読み取られる。

これらのテラヘルツ・システムは、通常、ポンププローブ法の操作を使用する。基本的には、２つのアンテナが使用される。送信アンテナは、光パルスを用いて「ポンピング」され、テラヘルツ放射を発する。受信アンテナは、第１のパルスから精密に時間を遅延した第２のパルスによって「プローブ」される（ｐｒｏｂｅｄ）。この時間遅延は、テラヘルツ波の開始から様々な遅延時間で、対象物により改変された後テラヘルツ波をサンプリングできるように、可変であることが多い。得られる全波形は、ポンプ・パルスと比較してプローブ・パルスの遅延時間をスキャンすることによって再現され得る。

図１を参照すると、先行技術のシステム１０は、知られたポンプ・プローブ・システムを示す。その主な構成部品として、このシステム１０は、テラヘルツ放射１４を送信するための送信器１２、及び送信器１２によって発せられるテラヘルツ放射１４の一部１８を受信するための受信器１６を含む。テラヘルツ放射を送信及び受信するためのモジュールの実例は、米国特許第６，８１６，６４７号において開示されており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

送信器１２及び受信器１６を励起するために使用される光パルスは、単一モード光ファイバとすることができる光ファイバ２０及び２２によって提供される。レンズ２４は、テラヘルツ放射２６をプレート又は標本２８に向ける。プレート又は標本２８は、テラヘルツ放射３０をペリクル３２へ反射し、次に、反射した放射３０を受信器１６に向けて反射する。これらのモジュールは、ピグテイル型のファイバであり、短（１０^−１４〜１０^−１２秒）光パルスを高速光伝導スイッチに送達する。送信器１２の事例では、短光パルスが、テラヘルツ（１０^１０〜１０^−１３ヘルツ）放射のパルス２６を発生させるために、スイッチを作動させる。このシステムは、送信と受信のテラヘルツ・ビームのビーム経路を重ねるために、ペリクル３２などの部分反射ビーム・スプリッタを使用する。

米国特許第６，８１６，６４７号 米国特許第６，３２０，１９１号 米国特許第８，４３６，３１０号

この構成に伴う１つの問題は、送信信号及び返信信号がペリクル３２に当たるとき、テラヘルツ出力の約７５％が失われることである。送信信号は、ペリクル３２に最初に当たるときその信号の半分を失う。半分は、プローブされるプレート又は標本２８へ向かってペリクル３２を通過するが、他の半分は、離れるように反射して失われる。返信信号３０も同じ損失に遭遇するが、それは、半分がペリクル３２によって受信器１６へ向かって反射され、他の半分は、ペリクル３２を通過し、送信器１２に届き、失われるからである。さらに、システム１０の構成は、かさばり、高価であり、位置合せが困難でもある。ファイバ２０及び２２は、送信器１２及び受信器１６へパルスを送達するのに長さを一致させる必要もある。これらのファイバ２０及び２２は、温度変化、振動効果、又は、ねじり若しくは引張によって課された単純な応力によって引き起こされるタイミング変動が、一方のファイバに対して他方のファイバよりも多く加えられるという点において、問題となり得る。

電磁放射を送信及び受信するためのシステムについて説明する。このシステムは、ビーム・スプリッタ及びトランシーバを含む。ビーム・スプリッタは、光パルスをポンプ・パルスとプローブ・パルスに分離するように構成される。トランシーバは、送信器スイッチ及び受信器スイッチを含むことができる。ポンプ・パルスは、送信器スイッチに向けられ、プローブ・パルスは受信器スイッチに向けられる。ポンプ・パルスが送信器スイッチに達すると、電磁放射がトランシーバから発せられる。電磁放射は、パルス化波形又は連続的な波形のいずれかのテラヘルツ放射とすることができる。

光パルスは、単一の光ファイバを介してビーム・スプリッタに提供され得る。単一の光ファイバは、偏波保持ファイバとすることができる。光パルスが偏波保持ファイバ中にあるとき、ポンプ・パルス及びプローブ・パルスは、直交的に偏光され得る。

送信器スイッチと受信器スイッチは、一般に、互いに分離され得る。送信器スイッチと受信器スイッチは、それぞれ別々のアンテナを有することができ、又は単一のアンテナを共有することができる。単一のアンテナを利用する場合、送信器スイッチと受信器スイッチは、ハイパス・キャパシタによって互いに電気的に隔離され得る。

システムは、反射型構成で使用されてよく、送信器は、それが送信し標本から反射された放射の少なくとも一部を受信する。ただし、システムは、２つのトランシーバが使用され、それぞれが標本の対抗面に位置されるような、透過的な構成でも使用され得る。第１のトランシーバは、標本を通して第２のトランシーバへ電磁放射を送ることになるが、第２のトランシーバは、標本を通して第１のトランシーバに電磁放射を送ることになる。

本発明のさらなる目的、特徴、利点は、本明細書に添付されその一部を形成する図面及び特許請求の範囲を参照しながら以降の説明を精査した後に、当業者には容易に明らかになるであろう。

テラヘルツ放射を送信及び受信するための先行技術のシステムを示す図である。 電磁放射を送り受け取るためのシステムを示す図である。 電磁放射を送り受け取るためのトランシーバのより詳細な図である。 ２つのアンテナを有するトランシーバのより詳細な図である。 図４のトランシーバの２つのアンテナのクローズアップ図である。 半分の送信器アンテナと受信器アンテナの間に配置されたガード・バンド又はシールドでの変形形態をもつ２つのアンテナを有するトランシーバのより詳細な図である。 単一のアンテナを有するトランシーバのクローズアップ図である。 直交的に配置されたアンテナを有するトランシーバを示す図である。 図８の直交的に配置されたアンテナのクローズアップ図である。 ビーム・スプリッタを示す図である。 ビーム・スプリッタを示す図である。 放射を送り受け取るためのシステムに設置されたトランシーバの一実施例の詳細な図である。 放射を送り受け取るためのシステムに設置されたトランシーバの一実施例の詳細な図である。 放射を送り受け取るためのシステムに設置されたトランシーバの一実施例の詳細な図である。 図１３で開示されたシステムの側面図である。 トランシーバに提供されるポンプ・パルス及びプローブ・パルスのより詳細な図である。 電磁放射を送り受け取るためのシステムを示す図であり、このシステムは透過型構成で使用される。

図２及び図３を参照すると、電磁放射を送り受け取るためのシステム１１０が示される。その主な構成部品として、システム１１０は、光パルス１１４を出力するように構成されたレーザ源１１２を含む。これらの光パルス１１４は、ポンプ及びプローブ光遅延システムに提供され、ビーム・コンバイナを使用して合成され得、その出力は、ポンプ・パルスとプローブ・パルスとを分離するビーム・スプリッタ１１６に提供される。光パルス１１４は、光ファイバ１１８を使用してビーム・スプリッタに提供され得る。一般に、光ファイバ１１８は、偏波保持光ファイバとすることができるが、単一モード光ファイバでもよい。光パルスは、独立した、直交偏光ポンプ及びプローブ・レーザ・パルスを含むことができる。

光ファイバ１１８が利用される事例では、光パルス１１４が光ファイバ１１８を通って伝播するとき引き起こされる光パルス１１４の分散を補償するために、前置分散補償器１１７が使用され得る。前置分散補償器の実例は、米国特許第６，３２０，１９１号において示され説明されており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

ただし、光パルス１１４は、光ファイバ１１８を介したものだけではなく他の手段を通してビーム・スプリッタ１１６に提供され得ることが理解されるべきである。例えば、光パルス１１４は、自由空間、又は自由空間と光ファイバの組合せを介してビーム・スプリッタ１１６に提供され得る。ファイバ１１８が利用される事例では、光パルス１１４が、２つの別々の構成部品である、直交的に配列されたポンプ・パルス及びプローブ・パルスを有する。これにより、２つの別個の光パルスがファイバ１１８に提供され得る。

ビーム・スプリッタ１１６は、光パルス１１４をポンプ・パルス１２０とプローブ・パルス１２２に分割する。トランシーバ１２４は、ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２を受信する。後により詳細に説明するように、トランシーバ１２４は、送信器スイッチ１２６及び受信器スイッチ１２８を含む。直交偏光ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２が、ファイバ１１８を出て、復調され、又は、複屈折ウィンドウとなり得るビーム・スプリッタ１１６によって空間的に分離され、これにより２つのパルス１２０と１２２が、送信器スイッチ１２６と受信器スイッチ１２８にそれぞれ向けられると、トランシーバ１２４が作動され得る。

トランシーバ１２４は、レーザ発光を光伝導性のスイッチ又はアンテナの「ギャップ」に集中させるのに適したレンズをもち、１つ又は複数の光ファイバ・ケーブルが挿入され、アンテナに安全に近接して取り付けられることを可能にし得る。さらに、この実施では、信号処理を増幅し実行するための電子装置が、モジュール内部に取り付けられる。

ファイバ１１８を出る第１のレーザ・パルスであるポンプ・パルス１２０は、送信器アンテナ・システムに統合された送信器スイッチ１２６に向けられ、ハイパー半球レンズ１２９を介してテラヘルツ・パルス１３０を発する。ファイバを出る第２のパルスであるプローブ・パルス１２２は、これも送信器アンテナ・システムを用いて統合された受信器スイッチ１２８に向けられる。プレート又は標本１３２から反射した後、ハイパー半球レンズ１２９を介してトランシーバ１２４に戻ったテラヘルツ送信信号１３０の一部１３４は、トランシーバ１２４によって受信され、プローブ・パルス１２２を用いて励起されると、受信器スイッチ１２８によって検出され、又はサンプリングされる。

送信器スイッチ１２６及び受信器スイッチ１２８は、トランシーバ・アンテナ・システム１２４に統合され、空間的に分離され、並びに電気的及び光学的にも互いに隔離される。スイッチ１２６と１２８との間の好ましい間隔は、短くてレーザ波長（〜１μｍ）から、長くて最短の測定可能なテラヘルツ波長（基板の屈折率が３．５と仮定して基板上で〜２５μｍ）の範囲とすることができる。範囲をこの間隔にすると、クロス・トークを回避するのに良好なポンプ−プローブ隔離が可能となり、一方、送信したテラヘルツ信号１３０と受信したテラヘルツ信号１３４が、基本的に重なったビーム経路に沿って歪みなく伝播することができる。ビーム・スプリッタ１１６は、スイッチ間の間隔に等しい分だけ２つの焦点スポットを分離する厚さに製作される。

直交偏光ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２は、光ファイバの偏光ビーム・コンバイナ１１５を使用して、ファイバ１１８の入力端部１１９で予め合成され得る。ファイバ１１８の出力端部１２１から出た後、パルスは、ビーム・スプリッタ１１６に入り、これにより直交偏光パルス列が２つの並行ビームであるポンプ・パルス１２０とプローブ・パルス１２２に分割される。ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２は、集束されると、２つの空間的に分離されたスポットを形成する。２つではなく単一のファイバ１１８の使用により、引張又はねじり、振動、温度ドリフトなどによるファイバの応力を含む環境要因から起こり得る、ポンプ・パルス１２０とプローブ・パルス１２２との間のタイミング・エラーがなくなる。光パルス１２０及び１２２が、トランスデューサを作動させるために空間的に隔離され得るが、異なる波長又は他の非直交偏光状態を使用してビームを分離することも可能である。

スイッチ１２６及び１２８を形成する光伝導性ギャップは、アンテナの中央部で統合され得る。光伝導スイッチ１２６及び１２８は、典型的に、レーザ・パルスによって作動されるときに起こるような、スイッチが「開」又はオフ状態のとき高抵抗となり、スイッチが「閉」又はオン状態のとき高伝導となるように設計された高速半導体材料のギャップを形成する１セットの電極を備える。半導体材料は、スイッチの光開始式オン状態の時間幅をサブピコ秒の時間幅に制限するような非常に短時間のキャリア・ライフタイムを特徴とする。

ただし、システム１１０は、光伝導性並びに電気光学的テラヘルツ発生器及びサンプリング・システムに適用可能であることが理解されるべきである。例えば、システム１１０は、光伝導性テラヘルツ・サンプリング・ゲートをもつ電気光学的テラヘルツ発生器、若しくは電気光学的サンプリング・ゲートをもつ光伝導性テラヘルツ発生器を利用し、又は光伝導性テラヘルツ発生器及びサンプリング・ゲートを有し、又は電気光学的テラヘルツ発生器とサンプリング・ゲートを有することができる。トランシーバ１２４が、従来型アンテナ（すなわち、ダイポール、又はスパイラルなど）を備える必要はない。例えば、送信器が、電気光学結晶内でテラヘルツ・パルスを発生させるためのチェレンコフ法に基づき、サンプリング光パルスを入射テラヘルツ信号と共同で伝播させることによってテラヘルツ信号をプローブするために受信器に同じ結晶を使用させることが可能である。

さらに、光ファイバ１１８を使用すると、柔軟性のあるアンビリカルの光ファイバ１１８を設けることによって動きが自由になり、パルス１１４をレーザ源１１２からトランシーバ１２４まで導くことができる。通例最も使用される光パルス列源は、ファイバ・レーザなので、こうしたレーザをレーザ源１１２として使用することは可能である。トランシーバ１２４は、ノイズを低減するためにできる限り光伝導アンテナに接近する増幅電子装置を含むことができ、アンビリカルはまた、典型的に、電力を供給し、システムの残りの部分に得られる電気信号を伝導するために電気伝導体を有する。アンテナ組立体はまた、種々のレンズ組立体（典型的なシリコン・ハイパー半球レンズ又はポリマー・レンズ）を含むことが多い。パルスの精密なタイミング及びパルス長の制御により、より高解像度の結果が得られる。こういうものとして、２つの光パルスが、その直交偏光された光経路に沿って移動するとき、２つの光パルスの分散に対処するために、何らかの形の分散補償が、必要となることが多い。

図４及び図５を参照すると、図４に、トランシーバ１２４の一部であるトランシーバ・チップ１２５の一実例を示す。ここでは、空間的に分離され電気的に隔離された送信器スイッチ１２６及び受信器スイッチ１２８の、２つの半分のボウタイ・アンテナの中央部を示す。図５に最も良く示されるように、送信器アンテナ１２６が、上側のボウタイの半分であり、受信器アンテナ１２８は、下側のボウタイ・アンテナの半分である。先に述べたように、ポンプ・パルス１２０とプローブ・パルス１２２は、それぞれ送信スイッチ１２６と受信器スイッチ１２８上に集束される。アンテナ１３６と１３８との間ひいては送信器スイッチ１２６と受信器スイッチ１２８との間の分離間隔は、１０マイクロメータ程度である。これらの光伝導性ギャップは、１マイクロメータ程度である。

これらが近接近しているという前提では、２つの半分のボウタイは、テラヘルツ周波数の単一のアンテナとして実行する。したがって、光波長とテラヘルツ波長とが１０００倍の差があることによって、送信器スイッチ１２６と受信器スイッチ１２８が、テラヘルツ性能の大幅な劣化なしに、物理的に分離され、並びに電気的及び光学的に隔離され得る。図６を参照すると、グレーで示されたさらなる隔離が、半分の送信器アンテナと受信器アンテナとの間に配置されたガード・バンド及びシールドによって提供され得る。半分の送信器アンテナと受信器アンテナとの間に配置されたガード・バンド又はシールドの変形形態は、本明細書で説明した他の実例に等しく適用可能である。これにより、高利得増幅器は、送信器スイッチ１２６によって飽和されることなしに、受信器スイッチ１２８に組み込まれ得る。送信器スイッチ１２６は、最初のテラヘルツ・パルスを発生させるためにそのギャップの両側に印加される比較的大きな直流バイアスを有する。送信器スイッチ１２６と受信器スイッチ１２８とを隔離することによって、受信器スイッチ１２８の両側に直流電圧を印加しないで、受信器スイッチ１２８から、ショット・ノイズ及びレーザゆらぎノイズをなくし、可能な最も高い信号対ノイズ比をもたらす。２つのアンテナ１２６及び１２８は、二元的な送信器若しくは二元的な受信器、又は１つの送信器と１つの受信器の組合せとして構成され得ることにも留意されたい。

図７にトランシーバ・チップ１２５の別の実例を示す。示されているのは、１つのアンテナ・ギャップ中に統合された空間的に分離され電気的に隔離された送信スイッチ１２６と受信器スイッチ１２８をもつ、フルサイズの単一のボウタイ・テラヘルツ・アンテナ１４０である。送信器スイッチ１２６用のバイアスは、誘電層の両側及び光伝導性ギャップ間に印加される。バイアス構成に応じて、スイッチの片側又は両側が隔離され得る。ここで、図７は両側が隔離されたものである。図４及び図５におけるように、２つのスイッチ１２６と１２８との間の分離間隔は、１０マイクロメータ程度であるが、これらの光伝導性ギャップは、１マイクロメータ程度である。

送信器バイアス・パッドの寸法は、寄生損失を低減するために小さくしておく。バイアスが印加され、ポンプ・パルス１２０が光伝導性ギャップに達すると共に、ギャップの伝導性が、数十オームまで降下し、サブピコ秒の電気パルスが、絶縁層を通ってアンテナ１４０に結合する。次いで、アンテナ１４０が、通常通り放射して、テラヘルツ・パルスを送信する。受信器スイッチ１２８は、先の説明と同様に実行する。送信スイッチ１２６中に統合される結合キャパシタが、十分に小さい場合、受信器スイッチによって測定される信号は、実質上歪みがない。送信スイッチ１２６及び受信器スイッチ１２８は、ハイパス・キャパシタ１４２及び１４４によって互いに電気的に隔離され得る。

図８及び図９を参照すると、トランシーバ・チップ１２５の別の実例が示される。ここで、送信器スイッチ１２６用のアンテナ１４６は、受信器スイッチ１２８用のアンテナ１４８に対して垂直である。絶縁層１５０は、アンテナ１４６と１４８との間に置かれる。基本的には、アンテナ１４６と１４８とは、互いに９０度である。これは、ポンプ・パルス１２０が受信器アンテナ１４８に対して垂直である、偏光テラヘルツ・パルスを作り出すことを意味する。テラヘルツ・ビームがその直交偏光状態から変化するまで、受信器アンテナ１４８によって何も受信される可能性はない。

これは、テラヘルツ・パルスが、プラスチック、木製製品、又は他のいずれかのテラヘルツ透過性媒体の応力又は疲労によって引き起こされるような、複屈折媒体を通って伝播する場合に可能性がある。こうした実例では、部品又は材料の欠陥を判断するために、複屈折の変化の検出及び画像することが可能であろう。アンテナ１４６及び１４８が、共通の中心点を共有し、スイッチ１２６及び１２８は、十分近くに接近してポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２に適切に位置合せされている限りは、この直交的構成は、歪みなく機能することができる。さらに、アンテナ１４６と１４８との間の相対的角度（ひいては偏波）は、位置合せされた直交偏光状態に限定されない。アンテナ１４６とアンテナ１４８との間のいずれの相対的角度も可能となり得る。また、２つのアンテナ１４６及び１４８は、２つの送信器若しくは２つの受信器、又は１つの送信器と１つの受信器の組合せとして構成され得る。

図１０Ａ及び図１０Ｂを参照すると、ビーム・スプリッタ１１６のより詳細な図が与えられる。図１０Ａは、偏光されたポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２とビーム・スプリッタ１１６との間の関係を示す概念図である。ビーム・スプリッタ１１６は、複屈折結晶とすることができる。ビーム・スプリッタ１１６用の好ましい結晶は、オルトバナジン酸イットリウム（ＹＶＯ_４）であるが、カルサイトなどの他の材料も同様に使用され得る。

光ファイバ１１８が、偏波保持光ファイバである場合、光ファイバ１１８により、光パルスの直線的な偏光状態を保持しながら直線的に偏光された光パルスが伝播することができる。偏波保持光ファイバは、直交偏光状態をサポートしながら互いに垂直に配向された速い及び遅い軸を有する。ファイバ１１８の入力端部の偏光ビーム・コンバイナを使用することによって、２つの別々の偏波保持ファイバを組み合わせて第３の偏波保持ファイバにすることが可能である。次いで、２つの別々のファイバを伝播する偏光されたパルスは、組み合わされて単一ファイバ１１８になり、独立的に伝播し、互いに対して直交的に偏光され得る。次いで、この単一ファイバ１１８は、ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２の両方の送達をサポートすることができる。別の実施例では、アンテナ１３６及び１３８が、タイトにパックされ、したがって２つの別々のファイバ又は二元コアを有する単一ファイバを使用して作動され得る限り、ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２は、直交式でなくともよい。

ファイバ１１８の出力端部１２１で、ビーム・スプリッタ１１６が、ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２に対応する２つの偏光状態を分離するために使用される。ビーム・スプリッタ１１６の特殊な軸に沿って偏光されたパルスを通常の軸に沿って偏光されたパルスから横方向に変位させることによって、ビーム・スプリッタ１１６は、２つの直交偏光レーザ・パルス１２０と１２２とを分離する。ビーム・スプリッタ１１６で使用される結晶の厚さは、ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２の焦点ポイントの変位を決定する一要因である。ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２の焦点ポイントは、送信器スイッチ１２６と受信器スイッチ１２８との間隔に一致するように設定される。

ビーム・スプリッタ１１６は、ファイバ１１８の出力端部１２１と送信器スイッチ１２６及び受信器スイッチ１２８との間に配置される。この領域には、ギャップ寸法の程度のスポット・サイズにまで２つのビームを集束させる光集束部１５２も含まれる。したがって、光は、ファイバ１１８を出ると、２つのビーム１２０と１２２とを集束し分離するように共に働く光集束部１５２及びビーム・スプリッタ１１６にかけられる。光集束部１５２及びビーム・スプリッタ１１６の程度は、決定的なものではない。一実例では、ビーム・スプリッタ１１６は、光集束部１５２と送信器スイッチ１２６及び受信器スイッチ１２８との間に位置される。光集束部１５２は、図１０Ｂに示すようにグリン・レンズとすることができ、又は図１０Ａに示すように光ファイバ１１８と統合され得る。

波長などの偏光以外の、２つのパルス１２０と１２２とを分離する代替の方法が、可能である。加えて、ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２は時間で分離されるので、これらが時間的に隔離されるときは２つのパルス１２０と１２２とを必ずしも物理的に隔離する必要がない。ポンプ・パルス１２０が、先に述べたようにアンテナでプローブ・パルス１２２から物理的に分離されない場合、両方のパルス・ストリームは、両方のアンテナに影響を与える。これは、テラヘルツ・パルスが送信器スイッチ１２６から送り出されるとき、受信器スイッチ１２８が「アクティブ」であることを意味し、一方、分離したアンテナからテラヘルツ・パルスが伝搬する時間は、テラヘルツ・エネルギーがノイズとして検出されるために受信器スイッチ１２８にほとんど到達していないことを意味する。簡単に言えば、アンテナでの２つの光パルス１２０と１２２との分離については、１つの知られた実施を説明するものである。

図１１〜図１５に、トランシーバ１２４を示す。図１１に最も良く示すが、トランシーバ・チップ１２５は、シリコン・ハイパー半球レンズ１２９の平面側に取り付けられて示される。図１２に、トランシーバ・チップ１２５をトランシーバ回路に電気接続するために使用されるアルミナ遷移キャリア１５４を示す。ビーム・スプリッタ１１６も示される。ビーム・スプリッタ１１６を回転させることができると、ポンプ・パルス１２０及びプローブ・パルス１２２の２つのレーザ・スポットを、送信器スイッチ１２６及び受信器スイッチ１２８上に精密に位置合せすることが可能になる。或いは、ビーム・スプリッタ１１６がまた、別々の構成部品である必要がなく、トランシーバ・チップ１２５の基板上に統合され得る。

図１３に、コバール・モジュール前壁１５８に取り付けられた、ハイパー半球レンズ１２９上のトランシーバ組立体１２４を示す。図１４は、図１３の側面図であるが、好ましくはグリン・レンズである光集束部１５２、ビーム・スプリッタ１１６、及びトランシーバ・チップ１２５間の関係を示す。図１５に示す拡大図は、２つの直交偏光ビーム１２０及び１２２が、トランシーバ・チップ１２５に到達するとき、グリン・レンズ１５２によってどのように集束されるか、また、ビーム・スプリッタ１１６によってどのように横方向に分離されるかについて示す。ポンプ・パルス１２０が、最初に到達して、送信器スイッチ１２６に届き、プローブ・パルス１２２は、２番目に到達して、受信器スイッチ１２８に届く。得られる組立体は、発せられたテラヘルツ放射を視準し又はほぼ視準し効率を改善するために、スイッチ１２６及び１２８の光伝導性トランスデューサが、実際にイマージョン・ハイパー半球シリコン・レンズ１２９の焦点ポイントに近接して置かれるように、取り付けられる。

これは、テラヘルツ波長より短い波長の光放射を使用して達成される。これにより、光放射が、空間的に分離されて、次いで複数のテラヘルツ信号を生成及び／又は測定するために使用される複数の隔離されたビーム１２０と１２２になることが可能になり、そのそれぞれが、テラヘルツ生成スイッチ１２６及び受信スイッチ１２８を作動させているような、放射の光波長（１つ又は複数）より十分に寸法が長い波長又は波長の分布を有し、それによって、全ての複数のテラヘルツ信号が共通のビーム経路を共有することができる。

図１６を参照すると、２つ又はそれ以上のトランシーバを１つの測定構成で使用することも可能である。トランシーバ１６０は、基本的にトランシーバ１２４を複製したシステムであり、トランシーバ１２４の説明が応用可能なので詳細について説明しない。この実例では、トランシーバ１６０が、トランシーバ１２４と同じレーザ源１１２を受信し共有する。ビーム・スプリッタ１１６に類似したビーム・スプリッタ１６２は、光パルス１１８をファイバ１６４から受信し、光パルスをポンプ・パルス１６６とプローブ・パルス１６８に分離する。トランシーバ１２４と同様に、ポンプ・パルス１６６は、送信器スイッチ１７０に提供されるが、プローブ・パルス１６８は、受信器スイッチ１７２に提供される。

実例として、トランシーバ１２４は、受信器スイッチ１２８によって受信される部分１７６を用いてテラヘルツ・パルス１７４を放射することができ、及び／又は、部分１７８は、試験中に、標本１８０を通して標本１８０の反対側の第２のトランシーバ１６０に位置する受信器スイッチ１７２に送信され得る。この第２の測定は、送信モードでなされる。この構成を用いて、テラヘルツ・データの反射と送信の両方が、標本１８０から同時に得られ得る。同時に逆の測定のセットも可能である。すなわち、この構成の第２のトランシーバ１６０が、テラヘルツ・パルス１８２を放射することもできる。このパルス１８２は、第１のトランシーバ１２４によって送信モードで、及び第２のトランシーバ１６０によって反射モードで測定され得る。総計で、送信で２つ及び反射で２つの４つの測定が、標本１６６の同じポイントから同時になされ得るであろう。

こういうものとして、送信器スイッチ及び受信器スイッチを作動させるために使用される全ての光パルスが、同じレーザ源に起因し、したがって正確に同期するので、１つのシステムから別のシステムへとテラヘルツ信号を生成し受信するいずれの組合せも可能である。本発明を用いて、標本のどちら側にも取り付けられる２つのトランシーバを有するペリクル構成を使用することも可能である。この構成を用いて、標本を測定するために様々なテラヘルツ偏光が使用され得る。

得られるシステムは、２つの別々のアンテナ・システムを使用する典型的なシステムに対していくつかの利点を与える。第１に、必要とされる材料を少なくしてコストを削減し、システムの実施を単純化する。組合せ装置用には、１つのモジュール、ハイパー半球レンズ・システム、光ファイバ、電子アンビリカルなどだけが、必要となる。別の利点は、システムが反射測定用に使用される場合、２つの別々のアンテナ・モジュールから成るシステムは、送信アンテナ及び受信アンテナが同じ物理位置にあることができないという事実を克服するために、典型的にテラヘルツ・ビーム中のペリクルの使用を必要とする、ということである。

ペリクルが存在すると、テラヘルツ・エネルギーの損失が生じ、システムに複雑さが加わる。こうしたシステムの２つの別々のモジュールは、システムを通るテラヘルツ信号を最大にするような位置合せも必要とする。ここに提示したシステムは、送信器及び受信器が同じテラヘルツ電磁経路中にあるので、ペリクルを取り除いて、損失及び位置合せの要件を低減する。米国特許第８，４３６，３１０号で検討された利点は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

当業者には容易に明らかであるように、上記の説明は、本発明の原理の実施の例証を意図するものである。本説明は、本発明が、以降の特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨を逸脱することなく、改変、変形及び変更を受け入れられるという点で、本発明の範囲又は適用性を限定するものではない。

Claims (20)

1. 電磁放射を送信及び受信するためのシステムであって、
   光パルスをポンプ・パルスとプローブ・パルスに分離するように構成されたビーム・スプリッタと、
   送信器スイッチ及び受信器スイッチを有するトランシーバであって、前記ポンプ・パルスが、前記送信器スイッチに向けられ、前記プローブ・パルスが前記受信器スイッチに向けられる、前記トランシーバとを備え、
   前記ポンプ・パルスが前記送信器スイッチに達すると、電磁放射が前記トランシーバから発せられる、システム。
2. 単一の光ファイバをさらに備え、前記光パルスが、前記単一の光ファイバを介して前記ビーム・スプリッタに提供される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記単一の光ファイバが、偏波保持ファイバである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ポンプ・パルス及び前記プローブ・パルスが、前記偏波保持ファイバ中にあるとき、直交的に偏光される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記光パルスが前記単一の光ファイバを通って伝播するとき引き起こされる前記光パルスの分散を補償するために、前記単一の光ファイバと光通信する分散補償器をさらに備える、請求項２に記載のシステム。
6. 前記電磁放射がテラヘルツ放射である、請求項１に記載のシステム。
7. 前記テラヘルツ放射が、連続的な波形のテラヘルツ放射又はパルス化テラヘルツ放射のいずれかである、請求項６に記載のシステム。
8. 前記送信器スイッチと受信器スイッチが互いに分離される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記送信器スイッチと受信器スイッチが、１マイクロメータから１ミリメータの距離だけ互いに分離される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記送信器スイッチと受信器スイッチが、それぞれアンテナを有する、請求項１に記載のシステム。
11. 前記送信器スイッチ用の前記アンテナが、前記受信器スイッチ用の前記アンテナに対して垂直である、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記送信器スイッチと受信器スイッチが、単一のアンテナを利用する、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記送信器スイッチと受信器スイッチが、ハイパス・キャパシタによって互いに電気的に隔離される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記ビーム・スプリッタが、複屈折ウィンドウである、請求項１に記載のシステム。
15. 前記複屈折ウィンドウが、オルトバナジン酸イットリウム又はカルサイトのいずれかから作製される、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記単一の光ファイバからの前記光パルスを集束するために、前記単一の光ファイバと前記ビーム・スプリッタとの間に位置する光集束部をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
17. 前記光集束部が、グリン・レンズである、請求項１６に記載のシステム。
18. 半球レンズをさらに備え、前記トランシーバが、前記半球レンズの平面側に取り付けられる、請求項１に記載のシステム。
19. 前記受信器スイッチが、前記送信器スイッチによって発せられ、標本から反射される前記電磁放射の少なくとも一部を受信するように構成される、請求項１に記載のシステム。
20. 第２のトランシーバをさらに備え、前記第２のトランシーバが、前記送信器スイッチによって発せられ、標本を通る前記電磁放射の少なくとも一部を受信するように構成される、請求項１に記載のシステム。

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