JP2020052066A

JP2020052066A - テラヘルツ波検出装置

Info

Publication number: JP2020052066A
Application number: JP2018177834A
Authority: JP
Inventors: 浩司稲船; Koji Inafune
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-04-02

Abstract

【課題】極低温への冷却が不要のテラヘルツ波検出装置を提供する。【解決手段】支持基板１０と、支持基板上に形成されたクラッド２０と、クラッドに被覆されて形成された光導波路コア５０と、クラッド上に形成され、テラヘルツ波が入力されるアンテナ６０と、クラッド上に形成され、かつ一端側でアンテナと接続された信号線７０と、信号線のグラウンド電極として作用する電極３０と、ポンプ光を生成して光導波路コアに送る光生成部８０と、波長変換光に基づいてテラヘルツ波を検出する検出部９０とを備える。信号線は、アンテナと接続された一端から他端までの間に、光導波路コアに沿って、光導波路コアと並走する並走部分を含む。並走部分は、並走部分を伝播するテラヘルツ波のモード分布が光導波路コアと重なるように配置される。光導波路コアは、光導波路コアを伝播するポンプ光と並走部分を伝播するテラヘルツ波に基づいて波長変換光を発生させる。【選択図】図１

Description

この発明は、テラヘルツ波を検出する装置に関する。

イメージング、センシング又は高速無線通信等の幅広い分野において、テラヘルツ波の利用が期待されている。そこで、テラヘルツ波を検出する技術の開発が進められている。

テラヘルツ波は、電波と光波の間の例えば０．１〜１０ＴＨｚの周波数帯の電磁波である。このため、電波に係る技術の高周波化、及び光に係る技術の低周波化の二つのアプローチから、テラヘルツ波の検出が試みられている。前者の技術としては、例えば電子部品の逓倍器やミキサによる周波数変換技術がある。また、後者の技術としては、例えば量子ナノ構造でのサブバンド間遷移の増幅利得を利用したデバイスがある（例えば特許文献１参照）。

電子部品の逓倍器やミキサによる周波数変換技術では、テラヘルツ帯において利得のあるトランジスタが実現できていないため、テラヘルツ波検出の高感度化が困難である。

特開２００６−２７８３６６号公報

量子ナノ構造でのサブバンド間遷移では、遷移エネルギーが室温での熱雑音に相当するため、液体窒素や液体ヘリウム等による極低温の維持が必要となる。

そこで、この発明の目的は、極低温への冷却が不要のテラヘルツ波検出装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明によるテラヘルツ波検出装置は、支持基板とクラッドと光導波路コアとアンテナと信号線と電極と光生成部と検出部とを備えて構成される。クラッドは、支持基板上に形成されている。光導波路コアは、支持基板上に、クラッドに被覆されて形成されている。アンテナは、クラッド上に形成されており、テラヘルツ波が入力される。信号線は、クラッド上に形成され、かつ一端側でアンテナと接続されている。また、信号線は、テラヘルツ波を伝播させる。電極は、信号線のグラウンド電極として作用する。光生成部は、ポンプ光を生成して、光導波路コアに送る。検出部は、テラヘルツ波の波長変換光に基づいてテラヘルツ波を検出する。

光導波路コアは、光生成部と接続された一端から、検出部と接続された他端まで延在して形成されている。信号線は、アンテナと接続された一端から他端までの間に、光導波路コアに沿って、光導波路コアと並走する並走部分を含む。並走部分は、この並走部分を伝播するテラヘルツ波のモード分布が光導波路コアと重なるように配置される。光導波路コアは、この光導波路コアを伝播するポンプ光と並走部分を伝播するテラヘルツ波に基づいて波長変換光を発生させ、及び発生した波長変換光を検出部に送る。

この発明のテラヘルツ波検出装置では、冷却を必要とせず、テラヘルツ波を波長変換光に変換させることによって、この波長変換光に基づいてテラヘルツ波を検出することができる。そして、この発明のテラヘルツ波検出装置では、テラヘルツ波から波長変換光への変換を、光導波路型の非線形光学素子を用いて行うことにより、波長変換効率の高効率化を図ることができ、その結果、高感度でテラヘルツ波を検出することができる。

この発明のテラヘルツ波検出装置を示す概略平面図である。（Ａ）及び（Ｂ）は、この発明のテラヘルツ波検出装置を示す概略端面図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（テラヘルツ波検出装置）
図１及び図２を参照して、この発明のテラヘルツ波検出装置について説明する。図１は、テラヘルツ波検出装置を示す概略平面図である。なお、図１では、後述するクラッドを省略して示してある。図２（Ａ）は、図１に示す構造体をＩ−Ｉ線で切り取った概略端面図である。また、図２（Ｂ）は、図１に示す構造体をＩＩ−ＩＩ線で切り取った概略端面図である。なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）では、ハッチングを省略してある。

以下の説明では、各構成要素について、テラヘルツ波又は光の伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

テラヘルツ波検出装置１００は、支持基板１０、クラッド２０、電極３０、接着剤層４０、光導波路コア５０、アンテナ６０、信号線７０、光生成部８０及び検出部９０を備えて構成されている。テラヘルツ波検出装置１００では、電極３０及び信号線７０により、マイクロストリップラインが構成されている。

支持基板１０は、光導波路コア５０よりも屈折率の小さい、例えば平板状のガラス基板で構成されている。その結果、支持基板１０がクラッドとして作用する。

クラッド２０は、支持基板１０上に設けられている。クラッド２０は、支持基板１０の上面、並びに電極３０、接着剤層４０及び光導波路コア５０を被覆して形成されている。クラッド２０は、光導波路コア５０よりも屈折率の小さい、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。

電極３０は、支持基板１０上の、平面視において少なくとも信号線７０及びアンテナ６０と重なる位置に形成されている。電極３０は、信号線７０及びアンテナ６０のグラウンド電極として機能する。

接着剤層４０は、電極３０上に形成されている。接着剤層４０は、例えばエポキシ系接着剤又はアクリル系接着剤等の光学接着剤によって形成されている。また、接着剤層４０は、少なくとも光導波路コア５０の直下の領域において形成される。その結果、光導波路コア５０が電極３０上に接合される。なお、ここでは、支持基板１０が光導波路コア５０の下側のクラッドとして作用するため、接着剤層４０を形成せずに直接接合により、光導波路コア５０を電極３０上に接合してもよい。

光導波路コア５０は、接着剤層４０上にクラッド２０よりも高い屈折率を有する材料で形成されている。その結果、光導波路コア５０は、光の伝送路として機能し、光導波路コア５０に入力された光が光導波路コア５０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。ここでは、光導波路コア５０は、光生成部８０から送られるポンプ光を、一端５０ａから他端５０ｂへ伝播させる。

光導波路コア５０は、一端５０ａ側で光生成部８０と、及び他端５０ｂ側で検出部９０と、それぞれ接続さている。そして、光導波路コア５０は、一端５０ａから他端５０ｂまで直線状に延在して形成されている。

光導波路コア５０は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタニルリン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ_４）又はニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）等の強誘電体結晶によって形成されている。これら強誘電体結晶には、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スカンジウム（Ｓｃ）又はインジウム（Ｉｎ）等を一又は複数種類添加することもできる。

さらに、光導波路コア５０には、自発分極の向きが互いに反転した第１ドメイン領域５１と第２ドメイン領域５２とが、光伝播方向に沿って交互に周期的に作り込まれている。すなわち、光導波路コア５０は、周期的分極反転構造を有している。なお、第１ドメイン領域５１と第２ドメイン領域５２との境界面は、光伝播方向に対して直交するように設計される。ここでは、光導波路コア５０が、例えば周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ−ＰｏｌｅｄＬｉＮｂＯ_３）を材料として形成されている。

周期的分極反転構造の周期は、光導波路コア５０に入力されるポンプ光、後述する信号線を伝播するテラヘルツ波、及びポンプ光及びテラヘルツ波に基づいて発生する波長変換光に対して、疑似位相整合（ＱＰＭ）条件を満たすように設定される。この結果、光導波路コア５０では、非線形光学効果の一つである和周波発生によって、テラヘルツ波が波長変換光に変換される。

光導波路コア５０は、少なくとも厚さ方向に沿った電界成分を持つ偏波光を伝播させる。そして、この偏波光に対して非線形定数が大きくなるように、光導波路コア５０の幅及び厚さが設計される。一例として、光導波路コア５０の幅を３〜１０μｍの範囲内、及び厚さを３〜８μｍの範囲内の寸法とすることができる。

アンテナ６０は、クラッド２０上の、平面視において例えば光導波路コア５０と重ならない位置に形成されている。アンテナ６０としては、例えばパッチアンテナやスロットアンテナ等の平面型のアンテナを用いることができる。ここでは、アンテナ６０として、パッチアンテナが形成されている。アンテナ６０は、例えば銅や金等の導電率の高い材料で形成されている。

アンテナ６０は、クラッド２０上面に対して交わる方向に伝播するテラヘルツ波の入力ポートとして機能する。アンテナ６０の幅及び長さは、入力されるテラヘルツ波の波長の１／２程度とすることができる。例えば２ＴＨｚのテラヘルツ波を想定する場合には、アンテナ６０の幅及び長さを３７．５μｍ程度とすることができる。

信号線７０は、クラッド２０上に形成されている。信号線７０は、テラヘルツ波の伝送路として機能し、一端７０ａから他端７０ｂへテラヘルツ波を伝播させる。信号線７０の他端７０ｂは、光導波路コア５０の他端５０ｂと同じ側に配置される。信号線７０は、アンテナ６０と一体的に、例えば銅や金等の導電率の高い材料で形成されている。

信号線７０は、一端７０ａ側でアンテナ６０と接続さている。アンテナ６０及び信号線７０間のインピーダンスを整合させるために、アンテナ６０外周からアンテナ６０中央の方向へ奥まった位置で、信号線７０の一端７０ａは、アンテナ６０と接続されるのが好ましい。また、信号線７０の他端７０ｂは、テラヘルツ波の反射を抑制すべくカットオフとなっている。なお、信号線７０の他端７０ｂには、反射を抑制するために、５０Ω程度の抵抗を設けることもできる（図示せず）。

信号線７０は、一端７０ａから他端７０ｂまでの間において、光導波路コア５０に沿って、光導波路コア５０と並走する並走部分７５を含んでいる。信号線７０の並走部分７５の幅は、並走部分７５及び光導波路コア５０間のインピーダンスを整合させるために、光導波路コア５０の幅と同程度とするのが好ましい。

また、信号線７０の並走部分７５を伝播するテラヘルツ波のモード分布が光導波路コア５０と重なるように、並走部分７５の幅方向における位置が決定される。例えば、平面視において、光導波路コア５０の直上位置（光導波路コア５０の長さ方向に沿った中心線と並走部分７５の長さ方向に沿った中心線が一致する位置）から、光導波路コア５０の直上から光導波路コア５０の幅の半分の距離だけずれた位置（光導波路コア５０の長さ方向に沿った中心線に対して、並走部分７５の長さ方向に沿った中心線が、幅方向に光導波路コア５０の幅の半分の距離だけずれた位置）までの間に、並走部分７５を配置することができる。図１及び図２では、信号線７０の並走部分７５の幅を光導波路コア５０と等しく設計し、信号線７０の並走部分７５を光導波路コア５０の直上に配置した構成例を示している。

また、信号線７０の並走部分７５と光導波路コア５０との厚さ方向における離間距離についても、テラヘルツ波のモード分布が光導波路コア５０に達する範囲内で設計される。

ここで、光導波路コア５０を構成するＰＰＬＮ等の強誘電体結晶は、テラヘルツ波に対する吸収係数が大きい。このため、信号線７０の並走部分７５と光導波路コア５０とを近づけすぎると、並走部分７５を伝播するテラヘルツ波が、光導波路コア５０に吸収されてしまい、光導波路コア５０における波長変換効率が低下する。このため、並走部分７５と光導波路コア５０との、幅方向における相対位置及び厚さ方向の離間距離は、テラヘルツ波のモード分布が光導波路コア５０に達すること、及び光導波路コア５０によるテラヘルツ波の吸収が小さく抑制されることの双方の観点から、波長変換効率が高効率となるように最適化して適宜設計するのが好ましい。

また、信号線７０の並走部分７５と光導波路コア５０とが並走する長さは、大きく設計するほど、光導波路コア５０を伝播するポンプ光と並走部分７５を伝播するテラヘルツ波との相互作用が生じやすく、光導波路コア５０における波長変換効率が向上する。一方で、並走部分７５と光導波路コア５０とが並走する長さを大きくしすぎると、上述したテラヘルツ波の吸収の問題により波長変換効率が低下する。このため、並走部分７５と光導波路コア５０とが並走する長さは、ポンプ光とテラヘルツ波との相互作用、及びテラヘルツ波の吸収の双方の観点から、波長変換効率が高効率となるように最適化して適宜設計するのが好ましい。

光生成部８０は、支持基板１０上に形成されており、ポンプ光を生成して光導波路コア５０に送る。ここでは、ポンプ光は例えばＣバンドの連続光である。光生成部８０としては、連続光を出力する例えば半導体レーザ等の光源を用いることができる。また、光生成部８０は、光源から出力される連続光を増幅する増幅器、連続光から任意の波長帯（ここではＣバンド）の光をポンプ光として抽出する波長フィルタ、及びポンプ光を光学的に位置合わせして光導波路コア５０と接続するためのコリメータを含んで構成することができる（図示せず）。

検出部９０には、光導波路コア５０においてテラヘルツ波が波長変換された波長変換光が入力される。検出部９０は、入力された波長変換光に基づき、テラヘルツ波の強度や周波数等を測定する。

検出部９０は、測定するパラメータに応じて構成することができる。例えばテラヘルツ波の強度を求める場合には、検出部９０を例えばＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を含んで構成し、波長変換光を光電変換することにより、電気的に強度を測定することができる。また、例えばテラヘルツ波の周波数を求める場合には、検出部９０を例えば光スペクトルアナライザで構成することにより、周波数を測定することができる。

以上に説明したテラヘルツ波検出装置１００では、光生成部８０が生成したポンプ光が、一端５０ａ側から光導波路コア５０に入力される。また、アンテナ６０からテラヘルツ波が入力され、信号線７０に送られる。信号線７０を伝播するテラヘルツ波のモード分布は、並走部分７５において、光導波路コア５０を伝播するポンプ光のモード分布と重なり合う。この結果、光導波路コア５０において、和周波発生により、テラヘルツ波が波長変換光に変換される。例えばテラヘルツ波の周波数が２ＴＨｚ、及びポンプ光の周波数が１９２ＴＨｚである場合には、１９４ＴＨｚの波長変換光が生成される。波長変換光は、光導波路コア５０を伝播し、検出部９０に送られる。そして、検出部９０により、波長変換光に基づいてテラヘルツ波が検出される。

このように、テラヘルツ波検出装置１００では、冷却を必要とせずに、テラヘルツ波を波長変換光に変換させることによって、この波長変換光からテラヘルツ波を検出（強度測定や周波数測定等）することができる。そして、テラヘルツ波検出装置１００では、テラヘルツ波から波長変換光への変換を、光導波路型の非線形光学素子を用いて行うことにより、波長変換効率の高効率化を図ることができ、その結果、高感度でテラヘルツ波を検出することができる。

なお、ここでは、電極３０及び信号線７０によって構成されたマイクロストリップラインを利用して、テラヘルツ波を伝播させる構成例について説明した。このため、グランド電極として作用する電極３０が、平面視において信号線７０と重なる位置であって、支持基板１０及び光導波路コア５０間に形成されている。しかし、テラヘルツ波検出装置１００では、テラヘルツ波の伝送手段として、例えばコプレーナ伝送路等の他の伝送路を用いることもできる。コプレーナ伝送路を利用する場合には、グランド電極として作用する電極を、クラッド２０上に形成することができる。

（製造方法）
図１及び図２に示すテラヘルツ波検出装置１００は、例えば以下の製造方法により製造することができる。

すなわち、まず、支持基板１０上に電極３０を蒸着する。次に、電極３０上に接着剤層を形成する。そして、この接着剤層上にＳｉ層を形成することによって、Ｓｉ層を電極３０上に接続する。次に、接着剤層及びＳｉ層をパターニングすることによって、接着剤層４０及び光導波路コア５０を形成する。次に、例えばＣＶＤ法を用いて、支持基板１０上に、クラッド２０を、電極３０、接着剤層４０及び光導波路コア５０を被覆して形成する。この結果、支持基板１０上で、クラッド２０によって電極３０、接着剤層４０及び光導波路コア５０が被覆された構造体が得られる。次に、クラッド２０上に、アンテナ６０及び信号線７０を形成する。次に、例えばエッチング技術を用いて、光生成部８０の形成領域のクラッド２０を除去する。この際に、光導波路コア５０の一端５０ａの端面出しを行う。そして、クラッド２０を除去した領域に、光生成部８０を、光導波路コア５０と光軸合わせしつつ実装する。次に、測定するパラメータに応じて用意した検出部９０を、光導波路コア５０の他端５０ｂと接続して、テラヘルツ波検出装置１００が製造される。

１０：支持基板
２０：クラッド
３０：電極
４０：接着剤層
５０：光導波路コア
６０：アンテナ
７０：信号線
８０：光生成部
９０：検出部
１００：テラヘルツ波検出装置

Claims

支持基板と、
前記支持基板上に形成されたクラッドと、
前記支持基板上に、前記クラッドに被覆されて形成された光導波路コアと、
前記クラッド上に形成され、テラヘルツ波が入力されるアンテナと、
前記クラッド上に形成され、かつ一端側で前記アンテナと接続された、テラヘルツ波を伝播させる信号線と、
前記信号線のグラウンド電極として作用する電極と、
ポンプ光を生成して、前記光導波路コアに送る光生成部と、
テラヘルツ波の波長変換光に基づいてテラヘルツ波を検出する検出部と
を備え、
前記光導波路コアは、前記光生成部と接続された一端から、前記検出部と接続された他端まで延在して形成されており、
前記信号線は、前記アンテナと接続された一端から他端までの間に、前記光導波路コアに沿って、前記光導波路コアと並走する並走部分を含み、
前記並走部分は、該並走部分を伝播するテラヘルツ波のモード分布が前記光導波路コアと重なるように配置され、
前記光導波路コアは、該光導波路コアを伝播するポンプ光と前記並走部分を伝播するテラヘルツ波に基づいて波長変換光を発生させ、及び発生した波長変換光を前記検出部に送る
ことを特徴とするテラヘルツ波検出装置。
前記光導波路コアは、強誘電体結晶を材料として形成されており、かつ周期的分極反転構造が作り込まれている
ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出装置。
前記電極は、平面視において少なくとも前記アンテナ及び前記信号線と重なる位置であって、前記支持基板及び前記光導波路コア間に、前記クラッドに被覆されて形成されており、
前記信号線及び前記電極によってマイクロストリップラインが構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ波検出装置。
前記並走部分及び前記光導波路コアは同程度の幅で形成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のテラヘルツ波検出装置。
平面視において、前記光導波路コアの直上位置から、前記光導波路コアの直上から幅方向に前記光導波路コアの幅の半分の距離だけずれた位置までの間に、前記並走部分が配置される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のテラヘルツ波検出装置。