JP2021519523A - 任意の偏光方向を有するテラヘルツ放射の生成及び検出 - Google Patents

Abstract

テラヘルツ放射（ＴＲ）を生成又は検出する光導電スイッチであって、光導電基板の表面（ＳＳ）上に第１及び第２の対の電極（ＥＶ，ＥＨ，ＥＧＲ）を含み、第１の対の電極が、第１の方向（ｘ）に沿って伸長する少なくとも複数の第１の線形区間（ＧＶ）を含む第１の間隙により分離され、第２の対の電極が、第１の方向とは異なる第２の方向（ｙ）に沿って伸長する少なくとも複数の第２の線形区間（ＧＨ）を含む第２の間隙により分離されていて、光導電スイッチは更に、電極間の間隙部分を選択的にマスキングするパターン化された非透過層（ＰＭＬ）を含んでいる。テラヘルツ放射を生成及び検出するためのこのような光導電スイッチを含む方法及び装置。

Description

本発明は、電気的に制御された任意の偏光方向を有する線形偏光されたテラヘルツ放射を生成する、及び／又は任意の偏光方向を有するテラヘルツ放射を検出する光導電スイッチに関する。本発明はまた、そのような光導電スイッチを用いるテラヘルツ放射を生成及び検出する装置及び方法にも関する。

本発明は、いくつかの用途、例えば医療及びセキュリティ撮像、サブミリ波天文学、ガスの検出、及びより具体的には非破壊的材料分析に関する。

「テラヘルツ放射」（ＴＨｚ）という表現は赤外線とマイクロ波の中間範囲に周波数を有する電磁波を指す。より厳密には、以下で「テラヘルツ放射」は、約３ｍｍ〜１０μｍの範囲の波長に対応する０．１〜３０ＴＨｚ（１ＴＨｚ＝１０^１２Ｈｚ）の範囲に（中心）周波数を有する放射を指す。

過去１０年にわたり、電磁スペクトルの上述の部分を利用する極めて有望な技術的解決策が提示されてきた。しかし、材料科学の分野で興味深い情報を提供するにはＴＨｚ光の偏光を制御するＴＨｚ範囲の偏光測定を更に開発する必要がある。例えば、光弾性測定は非透過材料の機械的制約に関する情報を提供することができる。最も広く利用されているＴＨｚ技術の一つであるナノ秒又はピコ秒単位の時間分解能を伴う過渡的又は非平衡状態の調査に用いるＴＨｚ時間領域分光（ＴＤＳ）の場合、ＴＨｚパルスの生成は典型的に、光導電面上に少なくとも２本の非接触電極を含む光導電生成器（又は「スイッチ」）の超高速光励起により実行される。

ここで、発光は、電極形状自体の方向に固定された所与の１個の偏光を含んでいる。従って、大多数の偏光測定は、スイッチ又は有線格子偏光子の回転式載置台等、機械的に制御された要素を用いて実行される。

これは測定の速度と精度を必然的に制約するものである。

Ｄ．Ｓ．Ｂｕｌｇａｒｅｖｉｃｈらによる論文“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｖａｒｉａｂｌｅ ｅｍｉｔｔｅｒ ｆｏｒ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２４ Ｎｏ．２４，２８ Ｎｏｖ．２０１６，ｐｐ．２７１６０−２７１６５は、光導電ＬＴ−ＧａＡｓ基板表面に８本の三角形電極を含んでいる光導電テラヘルツ生成器を記述している。生成器は、発せられたＴＨｚ放射の偏光方向を回転可能にするが、４５°刻みで段階的にしか回転できない。このような粗い偏光制御は多くの用途には不充分である。

光導電スイッチはまた、テラヘルツ放射の検出にも用いることができる。この場合、典型的に同様の制約があり、すなわち単一の偏光素子にしか感応しない。従って、任意の偏光方向を特徴付けるために回転可能なスイッチを用いる少なくとも２個の別々の測定を必要とする。

Ｅ．Ｃａｓｔｒｏ−Ｃａｍｕｓａ，Ｊ．Ｌｌｏｙｄ−Ｈｕｇｈｅｓ，ａｎｄ Ｍ．Ｂ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎによる論文“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙ ｍｕｌｔｉｃｏｎｔａｃｔ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，２５４１０２（２００５）はテラヘルツ放射の偏光感応検出を実行可能にする３電極光導電スイッチを記述している。スイッチは感応領域が小さいため拡張可能ではない。

独国特許第１０２００８０２３９９１号明細書は、径、方位又は四極偏光を有するテラヘルツ放射の生成に適した、２つの垂直な方向に伸長する咬合電極を含む光導電スイッチを開示している。しかし、装置は、任意且つ電気的に制御された偏光方向を有する線形偏光されたテラヘルツ放射の生成又は検出には適していない。

独国特許第１０２００８０２３９９１号明細書

Ｄ．Ｓ．Ｂｕｌｇａｒｅｖｉｃｈ ｅｔ ａｌ．"Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｖａｒｉａｂｌｅ ｅｍｉｔｔｅｒ ｆｏｒ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２４ Ｎｏ．２４，２８ Ｎｏｖ．２０１６，ｐｐ．２７１６０−２７１６５ Ｅ．Ｃａｓｔｒｏ−Ｃａｍｕｓａ，Ｊ．Ｌｌｏｙｄ−Ｈｕｇｈｅｓ，ａｎｄ Ｍ．Ｂ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎ"Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙ ｍｕｌｔｉｃｏｎｔａｃｔ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ"，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，２５４１０２（２００５）

本発明は従来技術の短所を克服することを目的とする。より厳密には、純粋に電気的な手段により発せられたＴＨｚ放射の偏光方向の完全且つ連続的（又は、少なくともきめ細かい）制御を実行すること、及び／又は受光されたＴＨｚ放射の偏光方向を１回の測定で決定可能にすることを目的とする。

本発明は、独立したバイアス制御（生成用）又は電流測定（検出用）により、同一基板上で混在する２個の直交、又はより一般的には非平行な光導電スイッチを用いてこれらの目的を実現する。発光モードにおいて、２個の混在するスイッチ間の相対電場振幅を調整することにより高い精度で偏光方向を調整することができる。検出モードにおいて、２個の混在するスイッチから発せられた電流信号の比率は、影響を与えるＴＨｚ放射の偏光方向を示している。

本発明の目的は従って、テラヘルツ放射を生成又は検出する光導電スイッチであって、光導電基板と、光導電基板表面上の複数の電極とを含み、前記複数の電極が、第１の方向に沿って伸長する少なくとも複数の第１の線形区間を含む第１の間隙により分離された第１の対の構造化電極、及び第１の方向とは異なる第２の方向に沿って伸長する少なくとも複数の第２の線形区間を含む第２の間隙により分離された第２の対の構造化電極を含んでいること、及びパターン化された非透過層であって基板伝導率を増大させるのに適したテラヘルツ放射及び可視又は赤外放射の少なくとも一方に対して非透過な層を更に含み、電極間の間隙部分を選択的にマスキングして、マスキングされずに残るのは、第１の対の電極間に第１の電圧を印加して前記可視又は赤外放射により照射すると前記第１の線形区間全体にわたり同方向且つ同じ向きに第１の電流が流れる第１の間隙の第１の線形区間と、第２の対の電極間に第２の電圧を印加して前記可視又は赤外放射により照射すると前記第２の線形区間全体にわたり同方向且つ同じ向きに第２の電流が流れる第２の間隙の第２の線形区間だけである（一方向に２つの相反する向きが関連付けられている）ことを特徴とする。

本発明の別の目的は、制御された偏光方向を有するテラヘルツ放射を生成する装置であって、上述のような光導電スイッチと、第１の間隙に第１の電圧を印加すべく第１の対の電極に接続された第１の制御可能な電圧生成器と、第２の間隙に第２の電圧を印加すべく第２の対の電極に接続された第２の独立に制御可能な電圧生成器とを含んでいる。

本発明の別の目的は、上述のような装置を用いて制御された偏光方向を有するテラヘルツ放射を生成する方法であって、第１の制御可能な電圧生成器を用いて第１の間隙に第１の電圧を印加し、第２の制御可能な電圧生成器を用いて第２の間隙に第２の電圧を印加して、生成するテラヘルツ放射の目標偏光方向の関数として第１と第２の電圧の比率を決定するステップと、光導電基板表面の前記領域にパルス光を誘導するステップとを含んでいる。

本発明の別の目的は、テラヘルツ放射を検出する装置であって、上述のような光導電スイッチと、前記電極を通って流れる第１の電流を検出すべく第１の対の電極に接続された第１の読み出し回路と、前記電極を通って流れる第２の電流を検出すべく第２の対の電極に接続された第２の読み出し回路とを含んでいる。

更なる本発明の目的は、上述のような装置を用いてテラヘルツ放射を検出する方法であって、光導電基板表面の前記領域にパルス光を誘導するステップと、第１の読み出し回路を用いて第１の電流を検出し、第２の読み出し回路を用いて第２の電流を検出するステップと、第１と第２の電流の比率から入射するテラヘルツ放射の偏光方向を決定するステップとを含んでいる。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら以降の記述から明らかになろう。

従来の光導電スイッチの構造及び機能を示す。 ＴＨｚ放射の発光に用いる、本発明の動作に基づく原理を示す。 ＴＨｚ放射の発光に用いる、本発明の動作に基づく原理を示す。 ＴＨｚ放射の発光に用いる、本発明の動作に基づく原理を示す。 ＴＨｚ放射の検出に用いられた場合の、本発明の動作に基づく原理を示す。 本発明の第１の例示的な実施形態による光導電スイッチの構造を示す。 本発明の第１の例示的な実施形態による光導電スイッチの構造を示す。 本発明の第２の例示的な実施形態による光導電スイッチの構造を示す。 本発明の第３の例示的な実施形態による光導電スイッチの構造を示す。 本発明の第３の例示的な実施形態による光導電スイッチの構造を示す。 本発明の光導電スイッチの動作を試験する装置の模式図を示す。 図７の装置を用いて得られた実験結果を示す。 図７の装置を用いて得られた実験結果を示す。 生成されたＴＨｚ放射の偏光方向を本発明が制御可能にすることを示す実験結果を示す。

図１に示すように、従来の光導電スイッチ（又は「光導電アンテナ」）ＴＰＳは、互いに対向し且つ間隙Ｇにより分離された２個の金属電極Ｅ_１、Ｅ_２が配置された表面ＳＳ有するＧａＡｓ等の半導体材料で作成された光導電基板ＳＵＢを含んでいる。電極Ｅ_１を電圧生成器ＶＧ及び電極Ｅ_２を接地点に接続することにより間隙を介して電圧Ｖが印加される。半導体材料の電気抵抗は極めて大きく（ＧａＡｓの場合１０^７Ωｃｍ超）、間隙を通って流れる電流密度は小さい。

ＴＨｚ放射を生成すべく、基板ＳＵＢの半導体材料のバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有している超短（すなわちピコ秒又はフェムト秒）レーザパルスＬＰが表面ＳＳへ、より厳密には間隙Ｇへ誘導される。基板からの光吸収は電子と正孔の対を生成し、各電極へ（Ｅ_１がＥ_２より高い電位に保たれると仮定して電子はＥ_１へ、正孔はＥ_２へ）移動するため突発的な電流サージが生じる。電流密度は従って、典型的には数ピコ秒の時間である、半導体材料の対再結合時間、又は搬送波の寿命に依存するレートで減少する。電気力学の法則に従い、電流のサージ及び減少は、主スペクトル成分がＴＨｚ範囲内にある電磁放射パルスＴＲを生成する。パルスＴＲは、電極Ｅ_１とＥ_２を接続する線の方向、すなわち間隙Ｇが伸長する方向（図の方向ｙ、ｚは光パルスＬＰ及びＴＨｚパルスＴＲの両方の伝搬方向）に沿って線形に偏光する。

図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃの装置は、２対の正面電極を含んでいる点で図１とは異なり、Ｅ_Ｖ１、Ｅ_Ｖ２はｙ方向に伸長する第１の間隙Ｇ_ｖにより分離され、Ｅ_Ｈ１、Ｅ_Ｈ２はｘ方向に伸長する第１の間隙Ｇ_ｖにより分離されている。第１の制御可能な電圧生成器ＶＶＧは電極Ｅ_Ｖ１とＥ_Ｖ２の間に、すなわち第１の間隙に第１の電圧Ｖ_Ｖを印加し、第２の制御可能な電圧生成器ＨＶＧは電極Ｅ_Ｈ１とＥ_Ｈ２の間に、すなわち第１の間隙に第２の電圧Ｖ_Ｈを印加する。電圧生成器は、Ｖ_Ｖ及びＶ_Ｈがとる値を決定するコントローラＣＴＲ（例：コンピュータ又はマイクロプロセッサシステム）により駆動される。図２ＡはＶ_Ｈ＝０但しＶ_Ｖ≠０である状況を表す。この場合、光生成電流はｙ方向に流れ、ＴＨｚパルスＴＲもまた方向に沿って偏光する。図２ＢはＶ_Ｈ≠０但しＶ_Ｖ＝０である状況を表す。この場合、光生成電流はｘ方向に流れ、ＴＨｚパルスＴＲもまた方向に沿って偏光する。図２Ｃの場合、Ｖ_Ｖ及びＶ_Ｈは共にゼロではなく、ＴＨｚパルスＴＲの偏光方向はｙ軸との間で角度θ＝ｔａｎ^−１（Ｖ_Ｈ／Ｖ_Ｖ）をなす。従って２個の電圧値Ｖ_ＶとＶ_Ｈの比率を変化させることにより、ＴＨｚ放射の偏光方向を微細に制御可能であることが分かる。

図３に示すように、同様のアプローチにより、入射ＴＨｚパルスの偏光方向を測定することができる。図３の装置は、電圧生成器ＶＶＧ及びＨＶＧ並びにコントローラＣＴＲが、各々の電極対を通って流れる電流を測定する２個の読み出し回路ＲＣＶ、ＲＣＨ及び１個のプロセッサＰＲで代替されている点を除いて２Ａ図、２Ｂ及び２Ｃと同様である。更に、当技術分野において公知であるように、ＴＨｚの検出に用いる光導電材料は好適には、ＴＨｚの生成に用いるものよりも搬送波寿命が短い。図３のスイッチの基板の適切な選択はＬＴ−ＧａＡｓ（すなわち低温成長するＧａＡｓ）である。

プロセッサＰＲは、測定された電流値を受信して偏光方向の示度を出力する。偏光を測定するＴＨｚパルスＴＲは光導電スイッチＴＰＳの表面に入射して光パルスＬＰと時間的且つ空間的に重なり合う。光パルスは電荷搬送波を光生成し、これらはＴＨｚパルスの電場により加速されるため、後者の偏光方向（ｙ軸と角度θをなすものとする）に沿って流れる電流が生じる。２個の読み出し回路は、電流密度のｘ及びｙ成分を測定し、その値からθの値が推論される。

図の２Ａ〜Ｃ及び３の光導電スイッチの感光領域は極めて小さい、生成可能なＴＨｚパルスの出力と共に、検出器として用いた場合の感度も大幅に制約される。更に、容易に拡張できない。

本発明は、図１、２Ａ〜Ｃ及び３の簡単な線形電極を少なくとも２対の構造化された電極で代替することにより、上述の短所を克服可能にする。第１の対の電極は互いに対向して、第１の方向（例えばｘ方向）に沿って伸長する複数の線形区間を含む複雑な形状を有する第１の間隙を画定する。同様に、第２の対の電極は互いに対向して、第１の方向（例えばｙ方向）とは異なる、好適には垂直な第２の方向に沿って伸長する複数の線形区間を含む複雑な形状を有する第２の間隙を画定する。電極のジオメトリが複雑なことにより、比較的大きい発光領域を得ることができ、従って生成されたＴＨｚ放射の出力を先に考察したケースに比べて増大することができる。図２Ａ〜２Ｂの場合と同様に、生成されたＴＨｚ放射の偏光制御は、制御された電圧を２対の電極間に印加することにより得られる。光導電スイッチはまた、図３を参照しながら上で議論したように、ＴＨｚ放射の検出に用いることもできる。

空間的に均一な偏光状態を得るべく生成されたＴＨｚ放射の場合、２対の電極は混在してＴＨｚ放射の波長のスケールでほぼ均一なパターンを形成すべきである。より厳密には、電極パターンは、次式を満たすスケールＬで均一であるべきである。

ここで、λ_{ＴＨｚ＿ｍｉｎ}は注目するＴＨｚ帯域の最短波長、ＮはＴＨｚ放射収集光学機器の開口数であり、典型的には１桁であるが１よりも小さい。

例えば、第１及び第２の電極対の線形区間は、半径が少なくとも１００μｍ、好適には、より大きい基板領域にわたり同じオーダーの表面を占有すべきである。理想的には、第１及び第２の電極対の線形区間により占有される表面は同一であるべきだが、最大１０％又は３０％まで差異は許容可能であり、電極に印加される電圧を適当に修正することにより補償可能である。この条件はまた、偏光方向に対して均一な感応性を得るべく光導電スイッチを受光に用いる場合に満たされるべきである。

更に、以下に説明するように、間隙のいくつかの部分を、照射されたＴＨｚ領域に対するそれらの寄与同士の破壊的干渉を回避すべくマスキングするためにパターン化された非透過層を設ける必要がある。同じことが、光導電スイッチを受光に用いる場合に成り立つ。

図４Ａに、本発明の第１の実施形態による光導電スイッチの電極パターンを示す。スイッチは、各々が長さ７５μｍの辺を有する４象限に分割された正方形の領域Ｒを形成する２対の咬合電極Ｅ_Ｖ１、Ｅ_Ｖ２及びＥ_Ｈ１、Ｅ_Ｈ２を含んでいる。電極Ｅ_Ｖ１、Ｅ_Ｖ２は第１の間隙Ｇ_Ｖにより分離され、電極Ｅ_Ｈ１、Ｅ_Ｈ２は第２の間隙Ｇ_Ｈにより分離されている。両方の間隙は電極の同様に複雑な形状を有している。

電極Ｅ_Ｖ１、Ｅ_Ｖ２は第１及び第３の象限を占有し、共にｙ方向に沿うように向けられた「ステム」からｘ方向に伸長するフィンガーを含んでいる。ステムは各象限の両端に配置され、電極のフィンガーは対の他方の電極のステムの方へ突出している。電極の各フィンガーは（パターンの境界を除いて）対の他方の電極の２本のフィンガーに挟まれ、「垂直な」ｙ方向に伸長する間隙Ｇ_Ｖの線形区間付近で２本のフィンガーにより分離されている。同様に、電極Ｅ_Ｈ１、Ｅ_Ｈ２は第２及び第４の象限を占有し、共にｘ方向に沿うように向けられたステムからｙ方向に伸長するフィンガーを含んでいる。ステムは各象限の両端に配置され、電極のフィンガーは対の他方の電極のステムの方へ突出している。電極の各フィンガーは（パターンの境界を除いて）対の他方の電極の２本のフィンガーに挟まれ、「水平な」ｘ方向に伸長する間隙Ｇ_Ｈの線形区間付近で２本のフィンガーにより分離されている。

ｙ偏光されたＴＨｚ放射に適した第１の間隙Ｇ_Ｖの「垂直な」区間の各点に対して、ｘ偏光されたＴＨｚ放射に適した第２の間隙Ｇ_Ｈの「水平な」区間の対応点があり、高々７５μｍ離れている。これらの２点は、開口数０．５の場合、周波数４ＴＨｚに対応する波長が

、例えば７５μｍよりも短い放射によってのみ解像できる。波長がより長い（すなわち周波数がより低い）放射の場合、これらは単一の点状光源と考えられる。従って、図４Ａの光導電スイッチを用いて周波数が最大４ＴＨｚの電磁放射を生成することができるものと期待できる。数値シミュレーションにより、最大２〜３ＴＨｚの周波数に対して極めて明瞭且つ空間的に均一な線形偏光状態が得られることが示される。より高い周波数の放射も生成できるが、偏光状態の均一性が下がり、これが許容可能であるか否かは対象とする特定の用途による。

しかし、図４Ａの電極パターン自体は、発光する間隙の異なる点間の破壊的干渉に起因して、無視できる程度に少量であっても、ＴＨｚ放射の生成を行うことは全くできない。電極Ｅ_Ｖ１の電圧がＥ_Ｖ２よりも高く保たれていると仮定する。電極Ｅ_Ｖ１のフィンガーは、一方が「上側」（すなわちｙのより大きい値に対応する位置）に、他方が「下側」（すなわちｙのより小さい値に対応する位置）にある電極Ｅ_Ｖ２の２本のフィンガーに挟まれている。Ｅ_Ｖ１フィンガーから隣接する第１のＥ_２Ｖフィンガーまで伸長する電力線はｙ軸の正方向に沿って誘導され、Ｅ_Ｖ１フィンガーから隣接する第２のＥ_Ｖ２フィンガーまで伸長する電力線はｙ軸の負方向に沿って誘導される。従って、光導電基板表面が照射されたならば、ＴＨｚ放射の生成への寄与が互いに相殺し合う２つの逆向きの電流密度がＥ_Ｖ１フィンガーから２本の隣接するＥ_Ｖ２フィンガーへ流れることが容易に理解されよう。この破壊的干渉を回避すべく、電流が第１及び第３の象限の全てのマスキングされていない全ての間隙区間にわたり同じ第１の方向（ｙの正負いずれかの方向）に、且つ第２及び第４の象限の全てのマスキングされていない全ての間隙区間にわたり同じ第２の方向（ｘの正負いずれかの方向）に流れるように、間隙の各２個の線形区間を１個おきにマスキングする必要がある。

図４Ｂに、図４Ａの光導電スイッチの第１又は第３象限の一部の断面図を示す。参照符号Δは、電極Ｅ_Ｖ１、Ｅ_Ｖ２の隣接するフィンガー間の間隙Ｇ_Ｖの幅を示す。例えばＳｉＯ_２からなる透過的な電気絶縁層ＴＬが、基板ＳＵＢの表面ＳＳを覆っている。例えば金属からなるパターン化された非透過層ＰＭＬが、上述のように、２個のうち１個の間隙Ｇ_Ｖをマスキングすべく透過層の上に堆積されている。容易に分かるように、パターン化された非透過層が存在するため、図の右方へ流れる電流密度だけが生成される。

層ＴＬが基板内で光生成搬送波に用いる光及びＴＨｚ放射の両方を透過させなければならないのに対し、ＰＭＬ層が光又はＴＨｚ放射のいずれか（後者の場合、干渉放射が生成されるが、光導電スイッチの表面から離れる方向に伝搬できない）に対して非透過的であれば充分である点に注意することが重要である。

図５に、本発明の第１実施形態の改良と考えられる第２の例示的な実施形態による光導電スイッチの構造を示す。スイッチもまた２対の咬合電極を含んでいるが、各対の「接地」電極は互いに接続されていて、事実上単一の電極Ｅ_Ｇ（他の２本の電極は、電圧生成器又は読み出し回路に接続されることを意図してＥ_Ｖ、Ｅ_Ｈとラベル付けされている）を構成している。これらの電極はまた、図４Ａよりも大きい一辺が３００μｍの正方形のパターンを形成する。正方形は、パターンの特徴的なスケールが、図４Ａのパターンを単に２倍に拡大した場合の１５０μｍではなく、７５μｍであるように、ジグソーパズルのピース状の４個の「象限」に再分割されている。数値シミュレーションにより、パターンもまた、最大１．５ＴＨｚまでの周波数で電磁放射を生成して、明瞭且つ空間的に均一な線形偏光状態を示すことできることが分かる。より高い周波数（最大約２〜２．５ＴＨｚであり、無論厳密な値は許容性基準に依存する）の満足すべき動作が実現されるのは、パターンの中心部を照射した場合だけであるが、無論生成されるＴＨｚ放射の出力レベルは低下する。

破壊的干渉を抑制すべく、非透過的なマスキングパターンも設ける必要がある。

本発明による光導電スイッチの第３の実施形態を図６Ａ、６Ｂに示す。スイッチは、３本の電極すなわち１本の接地電極Ｅ_ＧＲ及び電圧生成器又は読み出し回路への接続を意図された複雑な形状を有する他の２本の電極Ｅ_１０、Ｅ_２０を含んでいる。より厳密には、これらの電極の各々は、ｘ及びｙ方向に交互に伸長する線形部分を含む複数の階段状又は「ジグザグ」電極を含んでいる。各電極に１個ずつの３個の付属部が帯域を形成し、接地電極Ｅ_Ｇの付属部がＥ_１０の付属部とＥ_２０の付属部の間に配置されている。各帯域内で、Ｅ_１０の付属部は第１の階段状の間隙によりＥ_Ｇの付属部から分離され、Ｅ_２０の付属部は第２の階段状の間隙によりＥ_Ｇの付属部から分離されている。図６Ａに示すこの電極パターンは、図６Ｂに示すパターン化された吸収層により部分的にマスキングされている。
−第１の間隙の「水平」（ｘ方向に向けられた）区間と、
−第２の間隙の「垂直」（ｙ方向に向けられた）区間だけがマスキングされないままであることが分かる。

本実施形態により、図４Ａ〜Ｂ及び図５の光導電スイッチよりも均一で、且つより大きい表面への拡張が容易な、ＴＨｚ放射の偏光状態を実現することができる。しかし、光導電面の大部分がマスキングされていることを前提とすると、単位面積当たりに生成されるＴＨｚ出力は低下する。

図４Ａ〜Ｂ、図５、６の電極パターンは本発明の範囲を一切限定するものではない。例えば、間隙の「有効な」線形区間が互いに垂直な方向に伸長することは、たとえ好適な特徴であるにせよ必須ではなく、互いに平行でないことだけが求められる。

図７に、本発明による光導電スイッチのプロトタイプの動作試験に用いられるＴＤＳ構成を示す。プロトタイプは、図５の面積が４５０×４５０μｍである電極パターンを使用した。光導電基板は、厚さ５００μｍのＧａＡｓの半絶縁体ウェーハであった。電極はリソグラフィにより加工され、５ｎｍのクロム層上に堆積された１５０ｎｍの金層で作成されている。電極間隔は４μｍであった。透過層ＴＬは、厚さが３００ｎｍであってイオンスパッタリングにより堆積されたＳｉＯ_２で作成されている。パターン化された非透過層は電極と同一の構造及び組成を有していた。

Ｔｉ：Ｓａレーザ源ＬＡＳは、波長８１０ｎｍで１００ｆｓレーザパルスＬＰを生成する。ビームスプリッタＢＳは各パルスＬＰを、各々が第１及び第２の経路に沿って伝搬する２個のパルスＬＰ１、ＬＰ２に分割する。ＬＰ１が伝搬する第２の経路は可変遅延線ＤＬを含んでいる。第２のパルスＬＰ２は、スペクトルのテラヘルツ領域で高い反射率を有するが８１０ｎｍでは透過的である、又はレーザパルスが通過できる正孔が横断する集光鏡ＦＭ１を通って伝搬して、本発明による光導電スイッチＴＰＳに入射する。光導電スイッチにより生成されたＴＨｚパルスＴＲは、パルスを視準する鏡ＦＭ１の方へ伝搬し、次いで第２の鏡ＦＭ２により集光され、第３の鏡ＦＭ３により再び視準されて、第４の鏡ＦＭ４により厚さ２００μｍのＺｎＴｅ結晶ＥＯＳに集光される。第２のレーザパルスＬＰ２もまた鏡ＦＭ４を通って結晶ＥＯＳに入射する。レーザパルスＬＰ２及びＴＨｚパルスＴＲは空間的に重なり合う。これらを時間的にも重なり合わせるように、遅延回路ＤＬを調整することができる。

レーザパルスＬＰ２及びＴＨｚパルスＴＲは共に、ＺｎＴｅ結晶ＥＯＳ及びこれに続く４分の１波長板ＱＷＰの通常及び特別軸と４５°の角度を形成する線形偏光を有している。ＴＨｚ放射がない場合、４分の１波長板はＬＰ２パルスの偏光を線形から円形に変換する。ウォラストンプリズムＷＰは、円偏光を、バランス光検出器ＢＰＤの各フォトダイオードに入射する２個の空間的に分離された線形成分に分解する。２個の成分が同一の強度を有し、バランス光検出器の出力信号はゼロである。ＥＯＳ結晶内の電気光学効果に起因してＴＨｚパルスＴＲの電場は、振幅に比例するレーザパルスの偏光平面の回転を誘発する。この回転に起因して、４分の１波長板の下流におけるレーザ偏光状態は、もはや円形ではなく楕円である。これはウォラストンプリズムにより分離された２個の成分間の均衡を破り、従ってバランス光検出器の非ゼロ出力信号を発する。レーザパルスＬＰ２とＴＨｚパルスの間の遅延を変化させる（可変遅延線ＤＬを用いることにより実行可能）ことにより、時間領域におけるＴＨｚ電場を表す信号が得られる。これを図８に示し、図９に対応するスペクトルを示す。これらの結果は従来の光導電ＴＨｚ生成器において典型的である。

本発明の装置の偏光制御特性を試験すべく、機械式ＴＨｚ偏光子に関連付けられた従来の焦電検出器を用いて、生成されたＴＨｚ出力を測定した。

光導電スイッチは、ｙ軸がアナライザの軸に対して約４５°の角度に対応し、スイッチのｘ軸が１３５°に対応するように配置されている。１回目の測定ではｙ軸電圧だけがオンにされてアナライザが回転した。検出された出力は、ｙ軸に沿った線形偏光について予想されたように、明瞭な正弦波振動（図１０でＶとラベル付けされた曲線上の点。曲線自体は正弦波補間されている）を示した。２回目の測定がｘ軸電圧をオンにすることにより実行され、検出された出力は再び、ｘ軸に沿った線形偏光について予想されたように、先に測定された振動とは逆位相の正弦波振動を示した（図１０でＨとラベル付けされた曲線上の点。曲線自体は正弦波補間されている）。３回目の測定において、両方の電圧がオンにされ、ｘ及びｙ偏光を有するＴＨｚ場のベクトル和について予想されたように、９０°でピークとなる二重ピーク振幅を有する正弦波振動が得られた（図１０でＨ＋Ｖとラベル付けされた曲線上の点。曲線自体は正弦波補間されている）。これらの結果は、光導電スイッチが予想通りに振る舞い、従って連続的且つ電気的に制御された線形偏光方向を有するＴＨｚパルスの生成が可能になる。

Claims (14)

1. テラヘルツ放射（ＴＲ）を生成又は検出する光導電スイッチであって、
   −光導電基板（ＳＵＢ）と、
   −前記光導電基板の表面（ＳＳ）上の複数の電極と
   を含み、
   前記複数の電極が、
   −第１の方向（ｘ）に沿って伸長する少なくとも複数の第１の線形区間（Ｇ_Ｖ）を含む第１の間隙により分離された第１の対の構造化電極（Ｅ_１０，Ｅ_ＧＲ）、及び
   −前記第１の方向とは異なる第２の方向（ｙ）に沿って伸長する少なくとも複数の第２の線形区間（Ｇ_Ｈ）を含む第２の間隙により分離された第２の対の構造化電極（Ｅ_２０，Ｅ_ＧＲ）を含んでいること、及び
   パターン化された非透過層（ＰＭＬ）であって基板伝導率を増大させるのに適したテラヘルツ放射及び可視又は赤外放射の少なくとも一方に対して非透過な層を更に含み、前記電極間の前記間隙部分を選択的にマスキングして、マスキングされずに残るのが、
   −前記第１の対の電極間に第１の電圧を印加して前記可視又は赤外放射により照射すると前記第１の線形区間全体にわたり同方向且つ同じ向きに第１の電流が流れる前記第１の間隙の第１の線形区間と、
   −前記第２の対の電極間に第２の電圧を印加して前記可視又は赤外放射により照射すると前記第２の線形区間全体にわたり同方向且つ同じ向きに第２の電流が流れる前記第２の間隙の第２の線形区間だけである
   ことを特徴とする光導電スイッチ。
2. 前記基板の少なくとも１００μｍの半径（Ｒ）を有する領域にわたる、前記第１の間隙の前記第１の線形区間の累積表面と、前記第２の間隙の前記第２の線形区間の累積表面が等しいか又は差異が３０％以下であり、好適には１０％以下である、請求項１に記載の光導電スイッチ。
3. 前記第１の方向と前記第２の方向が互いに垂直である、請求項１〜２のいずれか１項に記載の光導電スイッチ。
4. −前記第１及び第２の間隙が、前記光導電基板表面の少なくとも１００μｍの半径（Ｒ）を有する領域にわたり伸長し、
   −前記第１の間隙の前記第１の線形区間の少なくとも大部分が、前記第２の間隙の対応する第２の線形区間から１００μｍ未満離れた距離にある、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光導電スイッチ。
5. 前記第１及び第２の対の電極に配置されていて、基板伝導率を増大させるのに適したテラヘルツ放射及び可視又は赤外線の放射の両方に対して透過的な透過層（ＴＬ）、及び前記パターン化された非透過層（ＰＭＬ）を更に含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導電スイッチ。
6. 前記第１の対（Ｅ_Ｖ，Ｅ_Ｇ）及び第２の対（Ｅ_Ｈ，Ｅ_Ｇ）の電極が咬合電極であり、各対の各電極が、同一対の他方の電極の方へ突出している複数のフィンガーを含み、前記第１の対の電極のフィンガーが前記第１の方向に沿って伸長する前記第１の間隙の前記第１の線形区間の複数により分離され、前記第２の対の電極のフィンガーが前記第２の方向に沿って伸長する前記第２の間隙の前記複数の第２の線形区間により分離されていて、前記パターン化された非透過層（ＰＭＬ）が、２個のうち１個の第１の間隙及び２個のうち１個の第２の間隙を交互にマスキングしている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導電スイッチ。
7. 前記第１の対（Ｅ_１０，Ｅ_ＧＲ）及び前記第２の対（Ｅ_２０，Ｅ_ＧＲ）の電極が複数の階段状の付属部を含み、各々の付属部が前記第１及び前記第２の方向に沿って伸長する交互の線形部分を含み、前記パターン化された非透過層が、前記第２の方向に沿って伸長する前記第１の間隙の線形区間及び前記第１の方向に沿って伸長する前記第２の間隙の線形区間をマスキングしている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光導電スイッチ。
8. 前記第１及び第２の対の電極が共通の電極（Ｅ_Ｇ，Ｅ_ＧＲ）を共有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光導電スイッチ。
9. 制御された偏光方向を有するテラヘルツ放射（ＴＲ）を生成する装置であって、
   −請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導電スイッチと、
   −前記第１の間隙に第１の電圧（Ｖ_Ｖ）を印加すべく前記第１の対の電極に接続された第１の制御可能な電圧生成器（ＶＶＧ）と、
   −前記第２の間隙に第２の電圧（Ｖ_Ｈ）を印加すべく前記第２の対の電極に接続された第２の独立に制御可能な電圧生成器（ＨＶＧ）とを含む装置。
10. 前記第１及び前記第２の電圧の値を前記テラヘルツ放射の目標偏光方向の関数として設定すべく前記第１及び第２の制御可能な電圧生成器を駆動すべく構成されたコントローラ（ＣＴＲ）を更に含む、請求項９に記載の装置。
11. 請求項９又は１０に記述の装置を用いて制御された偏光方向を有するテラヘルツ放射を生成する方法であって、
    −前記第１の制御可能な電圧生成器（ＶＶＧ）を用いて前記第１の間隙（Ｇ_Ｖ）に第１の電圧を印加し、前記第２の制御可能な電圧生成器（ＨＶＧ）を用いて前記第２の間隙（Ｇ_Ｈ）に第２の電圧を印加して、前記生成するテラヘルツ放射の目標偏光方向の関数として前記第１と第２の電圧の比率を決定するステップと、
    −前記光導電基板表面の前記領域にパルス光（ＬＰ）を誘導するステップと
    を含む方法。
12. テラヘルツ放射を検出する装置であって、
    −請求項１〜８のいずれか１項に記載の光導電スイッチと、
    −前記電極を通って流れる第１の電流を検出すべく前記第１の対の電極に接続された第１の読み出し回路（ＲＣＶ）と、
    −前記電極を通って流れる第２の電流を検出すべく前記第２の対の電極に接続された第２の読み出し回路（ＲＣＨ）と
    を含む装置。
13. 前記第１及び第２の読み出し回路から、前記第１及び第２の電流を表す信号を取得して、入射するテラヘルツ放射の偏光方向を前記信号から決定すべく構成されたプロセッサ（ＰＲ）を更に含む、請求項１２に記載の装置。
14. 請求項１２又は１３に記載の装置を用いてテラヘルツ放射を検出する方法であって、
    −前記光導電基板表面の前記領域にパルス光（ＬＰ）を誘導するステップと、
    −前記第１の読み出し回路を用いて前記第１の電流を検出し、前記第２の読み出し回路を用いて前記第２の電流を検出するステップと、
    −入射するテラヘルツ（ＴＲ）放射の偏光方向を前記第１と第２の電流の比率から決定するステップと
    を含む方法。

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