JP3950820B2

JP3950820B2 - 高周波電気信号制御装置及びセンシングシステム

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Publication number: JP3950820B2
Application number: JP2003181663A
Authority: JP
Inventors: 敏彦尾内
Original assignee: Canon Inc
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Priority date: 2003-06-25
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: JP2005017644A

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にミリ波からテラヘルツ波領域の高周波電気信号を発信、受信する高周波電気信号制御装置ないし電磁波発生装置、及びこれを用いたセンシングシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ミリ波からテラヘルツ波にかけた電磁波（30GHz〜30THz）（本明細書では、この周波数範囲内にある電磁波について、単に電磁波、高周波電気信号、ミリ波、テラヘルツ波、電波などと言及する場合がある）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されてきている。この周波数帯の電磁波では、X線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行なう技術や、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて結合状態やキャリア濃度や移動度を評価する技術が開発されている。また、ミリ波では、70GHz帯で、衝突安全レーダとして位置センシング技術が開発されている。
【０００３】
例えば、2次元イメージング装置として、テラヘルツパルス光を空間的に広げて、試料に対する2次元透過像を一括して時間領域で計測を行う提案例がある（特許文献1参照）。その装置の構成図を図8に示す。可視光パルスが121より出射されハ−フミラー128で分岐されたのち、一方の光121bは、光パルスのエンベロップに相当する電磁波パルスに変換する光伝導スイッチと呼ばれるテラヘルツ光源122に照射される。発生したテラヘルツ光122aについては、光学系123を用いて試料125の透過光がテラヘルツ検出器126に集光される。このとき、光パルスの一方の出力121aは、可動ミラー124によって時間遅延が与えられたのち、テラヘルツ光検出器126に照射される。こうして、光パルス121aが照射されたタイミングでのみテラヘルツ光122aの受信信号を取り出せるようにゲーティング制御することで、時間領域計測を可能にしている。テラヘルツ検出器126は、発生器122と同構造の光伝導スイッチが用いられる。または、ZnTeなどの電気光学結晶を用いてテラヘルツ光によりポッケルス効果を発生させ、該結晶を透過する光パルスの強度の変化として検出する方法もある。
【０００４】
一方、時間領域計測ではなく波長領域での分光を行う場合には、スペクトル純度の高い波長可変テラヘルツ光が必要になる。現在のところ、20K以下の低温に冷却したp-Geを用いたテラヘルツレーザが開発されているが、冷却を行うために大規模な装置になってしまう。そこで、2つのレーザ光の差周波をミキシングによって発生させて、テラヘルツ領域の波長可変CW光を発生させるものが提案されている（特許文献2参照）。ミキシング光からテラヘルツ電磁波に変換する手段としては、化合物半導体表面に形成した2導体間に電圧を印加してそのギャップに照射することで光伝導スイッチによって発生させるもの、半導体内部のフォノン−プラズモンモードを励起させるもの、非線形結晶に照射して発生させるものなどがある。
【０００５】
また、テラヘルツパルス光を用いた位置センシングとして、レーダ技術も研究されており（非特許文献1参照）、短パルス性を活かした高精度な計測が期待される。さらに、生体計測への応用として、DNAの検査を行うために、マイクロストリップ線路にテラヘルツ光を伝播させて、その表面に塗布したDNAにおいて2重らせん構造ができたときの屈折率変化を時間領域計測で行う方法も提案され（非特許文献2参照）、ラベルフリーな検査方法として期待されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開2002-98634号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開2002-6354号公報
【０００８】
【非特許文献１】
Applied Physics Letters, Vol.67, p.1960, 1995年
【０００９】
【非特許文献２】
Applied Optics, Vol. 41, p. 2074, 2002年
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、この様な透視イメージングや位置センシングにおいて、小型で持ち運びができる様なユビキタスモジュールが必要になってきている。様々な材料や生体情報を簡易に検査するデバイスとしての応用や、情報機器におけるポインティングデバイスとしての応用（例えば、ペン型入力装置の空間位置をセンシングするものとして用いる）が期待されるからである。
【００１１】
この場合、従来例に挙げたような構成では大型であり、2次元イメージングを行う場合にビームを広げて一括計測を行う方法は高速ではあるが、電磁波出力を大きくする必要があって、消費電力に問題がある。
【００１２】
また、テラヘルツ励起用のレーザ装置が個別部品であり、光結合する場合に空間光学系か光ファイバを用いることになり、設置コストがかかり小型化が難しいという問題や、ミキシングする場合の偏波の調整手段が必要であるという問題がある。さらに、マイクロストリップ線路を用いる方法では、テラヘルツ光を基板上で伝播させる点で小型化しているが、やはり光照射については外部から行うことで装置全体としては大型化してしまう。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、主としてミリ波からテラヘルツ波における電磁波を用いてセンシングなどを行うための、低消費電力、小型で持ち運び可能な集積モジュールとして容易に構成され得る構成を有する高周波電気信号制御装置ないし電磁波発生装置、及びこれを用いたセンシングシステムを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明による電磁波発生装置は、以下の特徴を有する。
すなわち、３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの間の周波数を有する電磁波を発生する電磁波発生装置において、
レーザ素子、
前記レーザ素子から出力されるレーザ光を伝播させるための光導波路、
前記光導波路を伝播した前記レーザ光を前記電磁波に変換するための光伝導スイッチ、及び
前記光伝導スイッチで変換された前記電磁波を伝播させる導電部を含み構成される伝送路とを備え、
前記レーザ素子、前記光導波路、前記光伝導スイッチ、及び前記伝送路は基板上であって、且つ該基板の面内方向に集積されており、
前記光伝導スイッチの上面の前記光導波路側の端部には、第１の電極と第２の電極とがギャップを有するように設けられており、
前記光導波路は、該光導波路内を伝播してくるレーザ光が、前記光伝導スイッチの前記光導波路側の側面のうちの前記ギャップに対応する箇所に照射されるように配置されている。
この構成の電磁波発生装置によれば、小型の半導体レーザなどのレーザ装置とその光を発生器に導くための光導波路が、発生器及びその信号の伝送路と共に同一基板上に集積化されたモジュールなどの構成に容易にできる。
【００１５】
上記基本構成に基づいて、以下の様な態様の電磁波発生装置が可能である。
前記基板上に形成され、前記伝送路を伝播した電磁波を電気信号として検出する検出器を更に有する形態にもできる。また、前記光導波路を構成する誘電体部材と前記伝送路を構成する誘電体絶縁層が同一部材で構成されている形態にもできる。この例では、光導波路と信号の伝送路が同一部材で構成されているので、作製が容易で、比較的低コストな小型モジュールを容易に提供できる。さらに、検出器を備えたり、アンテナを備えたりすることで、半導体、有機物、生体などのあらゆる試料に対して、簡単にどこでも透過/反射計測を行うことができ、接触或いは非接触で誘電率、キャリア濃度分布などを調べたり、DNA、タンパク質などの検査、認証、セキュリティチェックなどを行うことができる。
【００１６】
また、前記レーザ装置が、互いに異なる発振波長を持つ 2 つのレーザ装置から成り、前記電磁波発生器がこれらのレーザ装置から発したレーザ光を、これらのレーザ光のビート周波数に相当する電磁波に変換する形態にもできる。より具体的には、前記レーザ装置が異なる発振波長を持つ2つの装置からなり、2つの装置から出射された光が前記同一基板上に形成されたY分岐光導波路によって合波され、2つの装置の差周波に相当する電気信号を前記発生器から発生させる形態にもできる。例えば、CW（連続）のミリ波、テラヘルツ波を発生させるには、2台の半導体レーザの光をミキシングしてビート周波数を電磁波に変換することで得られ、半導体レーザの波長を注入電流によって変化させれば連続可変にでき、テラヘルツ領域の分光分析を行うことができる。
【００１７】
また、ミリ波からテラヘルツ波にかけての周波数領域のいずれかの周波数を有する電磁波を発生する装置であって、レーザパルス光を発するレーザ装置と、該レーザ装置から発したレーザパルス光を伝播させると共に、該レーザパルス光を 2 つのレーザパルス光に分岐する光導波路と、該光導波路で分岐された一方のレーザパルス光を前記電磁波に変換する電磁波発生器と、該電磁波発生器で変換された電磁波を伝播させる伝送路と、前記光導波路で分岐された他方のレーザパルス光を遅延させる光遅延器と、該光遅延器で遅延されたレーザパルス光が照射され、該レーザパルス光が照射されたタイミングで前記伝送路を伝播した電磁波を電気信号に変換する光伝導スイッチ素子から成る光検出器とが、単一の基板上に形成された形態にもできる。更に、前記レーザ装置が半導体モードロックレーザであって、10psec以下のパルス幅を持つ短パルスを発生させられるものであり、前記発生器によって短パルスの電気信号を発生させる形態にもできる。この場合、前記半導体モードロックレーザの光出力を前記同一基板上に形成された光導波路によって、前記検出器にも導くことができ、検出器に導く光導波路には遅延量を変化できる光遅延器が備えられ、遅延量を変化させながら短パルス電気信号の時間波形を計測する形態にできる。この様に、時間領域計測を行う為に、半導体モードロックレーザを用いてpsec以下の光パルスを発生させ、テラヘルツ発生器で電磁波インパルスに変換して伝送路を伝播させることで、レーザ出力の一部を、光遅延素子を用いて遅延時間を可変しながら検出器に照射してゲーティングすれば、インパルス応答の時間波形を計測することができる。これは、試料の複素誘電率、屈折率変化などを調べたり、反射遅延時間計測に用いて高精度なリモート位置センシングを行うことができる。
【００１８】
また、前記基板上に形成され、前記伝送路を伝播する電磁波を外部空間に放出すると共に、外部空間からの電磁波を受信して前記伝送路を伝播させ、前記光検出器に導くアンテナを更に有する形態にもできる。これにより、半導体、有機物、生体などあらゆる試料に対して、簡単にどこでも透過/反射計測を行うことができ、非接触で誘電率、キャリア濃度分布などを調べたり、DNA、タンパク質などの検査、認証、セキュリティチェックなどを行うことができる。このアンテナから放射される電波の方向を偏向する手段をさらに備えることもできる。
【００１９】
上記において、典型的には、高周波電気信号としてミリ波〜テラヘルツ波（30GHz〜30THz）帯を用いる。
【００２０】
更に、本発明による高周波センシングシステムは、上記の高周波電気信号制御装置を用いて、前記電気信号の伝送路上に置いた物体表面もしくは内部の構成元素や誘電率分布状態、位置情報などを計測することを特徴とする。また、上記の高周波電気信号制御装置を用いて、空間への電波の伝播を制御してワイヤレスで物体表面もしくは内部の構成元素や誘電率分布状態、位置情報などを計測することを特徴とする。これにより、上記の高周波電気信号制御装置の特徴を生かしたセンシングシステムを実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施例を挙げて本発明の実施の形態を具体的に説明する。テラヘルツ集積モジュールの実施形態について説明するが、材料、構造、デバイスなどはここに挙げたものに限定するものではない。
【００２２】
（第1の実施例）
本発明による第1の実施例は、2波長ミキシングを行うための2台の半導体レーザ、光導波路、テラヘルツ発生器、テラヘルツ波の伝送路、テラヘルツ検出器を1つの基板上に集積化したすなわち共通基板上に載せたものである。その集積モジュールの斜視図を図1に示す。
【００２３】
半絶縁性のGaAs基板１の上に、光感光性を持つ絶縁性樹脂２が形成され、Y分岐光導波路４は、樹脂２の一部のこの領域のみホトリソグラフィ工程により屈折率が周囲よりも高くなっている。この樹脂２として、例えば、感光性ポリシラン[商品名：グラシア（日本ペイント製）]が好適に用いられる。これ以外にも、BCB、ポリイミドなどの光学樹脂で感光性のあるものが、光導波路兼電気的絶縁層として適している。
【００２４】
3a、3bは、AlGaAs/GaAs系の分布帰還型（DFB）半導体レーザをハイブリッド実装したものである。この半導体レーザ3a、3bは、単一モード発振が可能であり、多電極構造となっていて光出力を大きく変化させることなく波長を2nm程度連続可変することができる。2つのレーザ3a、3bの発振中心波長差が予め1THz程度異なるように回折格子ピッチを変えたものを用いると良く、さらに2つのレーザ3a、3bの発振波長差は、一部の光を検出して注入電流によってフィードバック制御されることで安定化されている。本レーザ3a、3bの波長域(830nm帯)では、波長と周波数の換算係数はおよそ４．３５×１０¹¹（Hz/nm）であり、1THzのビート周波数を発生させるにはおよそ2.3nmの波長差を与えればよい。その波長のフィードバック制御としては、例えばPLL制御（Phase
Locked Loop）において、分周器、シンセサイザを用いたオフセットロックをかければよく、そのオフセット量がビート周波数に相当するので、シンセサイザによって電磁波の発生周波数が決まる。原理的にはあらゆるビート周波数を出し得るが、ロックレンジや半導体レーザのスペクトル線幅（〜10MHz）を考慮すると、数10MHzから10THz程度の範囲と考えられる。本実施例では、100GHzから3THzの連続チューンを行った。
【００２５】
それぞれのレーザ3a、3bの光はそれぞれ伝播光13a、13bとなって伝播し、光伝導スイッチによるテラヘルツ発生器６に照射される。このとき基板１上の方形光導波路４を伝播しているので、レーザ3a、3bから出た光は偏波が保持されて、偏波調整手段は必要ない。光伝導スイッチはアンドープのGaAsを低温成長（およそ200℃）で成長した膜７から構成され、通常は絶縁性が高く、2導体５、１７間にDC電圧源１０から30V程度印加していても電流は流れない。レーザ光が照射されるとフォトキャリアが発生して電流が流れるが、上記のビート周波数によってフォトキャリアが変調され、ビート周波数に相当する電磁波１４が発生される。この電磁波１４は、絶縁体２上に形成したコプレーナストリップ線路５、１７を伝播する。このとき、たとえば、線路５、１７の幅を30μm、間隔を200μmとした。なお、テラヘルツ発生器６のギャップ部分１６は5μm間隔としている。
【００２６】
光伝導スイッチの別の形態のA-A’断面図を図3に示す。導波型にして光吸収効率を高めるために、基板１上にAlGaAs（Al組成0.3）３０、アンドープGaAs層３１を成長し、10μm程度の幅でGaAs層３１をエッチングして両側を絶縁層３２で埋め込んでいる。また、電極34a、34bがギャップ３３を挟んで設けられている。この形態では、図1で示したGaAsバルク層７よりも変換効率が向上する。また、さらに別の方式として、非線形結晶を用いてビート周波数による電磁波１４発生効率を向上させてもよい。
【００２７】
伝播したテラヘルツ波１４は検出器８（図1では半導体層９上に形成されているように描かれている）で電気信号１１として取り出せる。検出器８は、図1のB-B’断面図である図4に示すようなショットキーバリアダイオードを用い得る。これは、半絶縁性GaAs基板１の上にn-GaAs４０を成長した上に形成されたAuGe/Ni/Au電極４１、2μmφ以下のスルーホール電極で形成したポイントコンタクト部４３、ショットキー電極４２、絶縁層４４からなる。ショットキー電極４２、ポイントコンタクト部４３はTi/Pt/Auで形成した。この検出器８で1THz程度までの検出が可能である。なお、図1において示すように、コプレーナストリップ線路５、１７と検出器８の電極は分離している。
【００２８】
以上の構成の集積モジュール（長さ、幅はmmのオーダー程度の大きさである）に、センシング対象となる試料１２を載せる。テラヘルツ波１４は伝送路５、１７を伝播していくが、表面にも電磁波が染み出している（エバネッセント波）ので、試料１２の吸収特性に応じて検出器８で検出するミリ波、テラヘルツ波の強度が変化する。したがって、ビート周波数を変化させながら測定することで、試料１２のテラヘルツ領域の分光分析を行える。分光における周波数分解能は、用いたレーザのスペクトル線幅で決まり、本実施例では、およそ10MHzである。試料１２としては、半導体、金属、誘電体、有機材料、生体物質（細胞、DNA、タンパク質）、食品、植物など、あらゆるものについて、従来得られなかったテラヘルツ領域の特性を簡単に調べることができる。
【００２９】
実際に測定を行う場合には、S/Nの向上のために、一方の半導体レーザに1MHz以下の正弦波信号を重畳し、検出器８側でも、同じ信号発生源をミキシングして同期検波を行ってもよい。
【００３０】
本モジュールの作製方法の一例を図2に示す。図2(a)において、半絶縁性GaAs基板１上にGaAs層２０を結晶成長する。このとき、必要に応じて、AlGaAsとヘテロ成長したり、領域よって成長温度や組成を変えながら選択成長して、複数回成長してもよい。この場合、光伝導スイッチを構成すべき低温成長のアンドープGaAs層は最後に成長する。その後、フォトリソグラフィによりパターン２１を持つフォトマスクによりレジストパターニング（不図示）をg線２３などによって行う。図2(b)において、フォトレジストをマスクにして塩素によるICP（InducedCoupled Plasama）エッチングを行い、半導体層７、９の領域が形成される。一方、2つのレーザ3a、3bは所定の位置に実装される。
【００３１】
図2(c)において、光透過性絶縁層としてポリシラン２を塗布し、光導波路を形成したい領域にマスクパターン２４によりi線露光を行うと、屈折率差が0.01程度生じることで光導波路４が形成される。図2(d)において、リフトオフ法によりTi/Auの電極形成を行えば、モジュールが完成する。
【００３２】
このように光導波路４と電磁波伝送用の絶縁体２を同一材料で構成することで、量産性に優れて比較的低コストな集積モジュールを提供することができる。ここでは電磁波の伝送路としてコプレーナストリップ線路を用いたが、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路などあらゆる集積型の伝送線路が適用可能である。
【００３３】
（第2の実施例）
本発明による第2の実施例は、図5のようにミリ波、テラヘルツ電磁波を空間に放射するアンテナ５１を備えて、集積モジュールから空間的に隔てられた試料５２の検査も行えるようにしたものである。
【００３４】
集積モジュール全体の構成は第1の実施例とほぼ同じで、2台の半導体レーザでミキシングを行い、ビートに相当する電磁波に変換するテラヘルツ発生器６、伝送路５、１７、検出器８などを集積化してある。スパイラルアンテナ５１が、加振できるような誘電体の構造体５０に形成されており、必要に応じて空間に放射されるビーム方向５３を偏向できるようになっている。また、このアンテナ５１に伝送路５、１７から給電するかどうかを選択できるように、不図示のメカニカルスイッチが備えられていてもよい。試料５２に照射された電磁波の反射波は、再びアンテナ５１で受信されて検出器８で信号を取り出せる。
【００３５】
アンテナ５１を載せた構造体５０で1次元の加振が可能な様にしておけば、ビームスキャンができ、試料５２をスキャン方向と直交方向に動かしながらその2次元反射イメージ像を得ることができる。このとき、電磁波の指向性を向上させてイメージ像の空間分解能を向上させるために、誘電体レンズやフォトニック結晶（不図示）をアンテナ５１の上にさらに載せてもよい。これにより、波長オーダーの空間分解能が得られるので、1THzの電磁波の場合には約300μmとなる。さらに分解能を向上させるには、上記レンズやフォトニック結晶に、波長の1/10以下の微小開口、すなわち30μm以下の開口を金属等で形成しておくと、近接場プローブとして機能するため、開口の大きさ程度の分解能の像が得られるようになる。ただし、この近接場プローブを用いる場合には、試料５２を近づけて検査する必要がある。
【００３６】
このように本実施例では、非接触で試料５２の検査を行うことができる。実際には、テラヘルツ波の場合は空気中の伝播で減衰が大きいので（〜100dB/km）、数m以下の検査が実用的である。
【００３７】
ここでは、ミリ波、テラヘルツ波の発生、検出がすべて1つのモジュールで処理される例を挙げたが、発生器と検出器が個別モジュールになっていてもよい。その場合、発生器と検出器を対向させて試料の透過2次元イメージを得ることができる。
【００３８】
（第3の実施例）
本発明による第3の実施例は、ミキシング光でテラヘルツCW光を発生させるのではなく、テラヘルツ領域まで及ぶインパルスを発生させて時間領域計測（TimeDomain Spectroscopy：TDS）を行うものである。
【００３９】
図6にその構成を示す。基板１上には半導体モードロックレーザ６０が実装され、約0.3psecのパルスが発生されて光導波路６１に結合する。伝播したレーザ光の一方は、テラヘルツ発生器６に照射され、0.5psec程度のパルス幅を持つ電磁波６６に変換されて伝送路を伝播する。光導波路６１で分岐されたもう一方のレーザ光は、光遅延器６２を介して符号６４で示す様に検出器６３に照射される。光検出器６３は、テラヘルツ発生器６と同様の構造の光伝導スイッチ素子であり、レーザパルス光が照射されたタイミングでのみフォトキャリアが発生し、伝送路を伝播してきた電磁波パルスの電界の大きさに応じて電流が流れて信号として検出できる。したがって、遅延器６２の遅延量を変化させることで、テラヘルツパルスの電界強度の時間変化を計測することができる。遅延器６２としては、不図示の遅延導波路及び光スイッチや屈折率を変化させる素子などで構成できる。検出方法としては、本実施例のようなもの以外に、EO結晶を光検出器６３の前に備えて、テラヘルツパルス強度の時間変動をEO結晶のポッケルス効果の変動にして、パルスレーザから分岐してきた光の透過光強度を光検出器６３で測定する方法でもよい。
【００４０】
本実施例でも、第2の実施例のようにアンテナ５１で空間に電磁波パルスを放射させて試料５２の反射電磁波を測定してインパルス応答を調べることで、非接触に試料５２の内部のキヤリア濃度や誘電率、移動度などを検査することができる。発生器と検出器の2つのモジュールを対向させて透過測定を行ってもよい。これらは、半導体とくに有機半導体や、導電性高分子膜の評価に適している。第2の実施例のようにビームをスキャンすれば、試料の2次元分布も調べられる。また、遅延時間を測定することで、試料の高精度なリモート位置センシングも可能である。テラヘルツパルス幅が0.5psecである場合、パルス幅の半分程度の遅延量を検知できるとすれば、０．５×１０-¹²／２×（３×１０⁸）＝７５０μmの精度で試料の位置検知ができる。
【００４１】
これらのTDSを行うには、第1の実施例の説明のところで述べたような同期検波を行いながら光遅延量をμsecのオーダーで変化させて順次トレースしていけば、特に高速電子回路を用いなくてもよい。
【００４２】
（第4の実施例）
今まで述べてきた実施例では、ミリ波からテラヘルツ領域の電波によってセンシングを行うための小型の集積モジュールの構成について説明してきた。これらは、従来例で説明したような物質の2次元の透過または反射イメージング装置、近距離の位置センシングレーダなどとして、より携帯性の優れた装置として適用できる。イメージング装置として利用する場合には、所持品のセキュリティチェックやICカードの検査装置、指紋センサ、血流・皮膚・眼などの医療診断装置などとして設置スペースを必要とせず、あらゆる場所で簡単に検査できるシステムを提供できる。また、位置センシングとして用いる場合にも、携帯機器に組み込んだ形で提供することができ、ディスプレイやコンピュータなどへのワイヤレス入力装置、リモコン装置、ゲームなどにおけるポインティングデバイスなどへの応用も可能である。
【００４３】
そのセンシングシステムの使用方法について簡単に説明する図が図7である。図7(a)においては、上記集積モジュールを搭載したカード７２を分析装置７０の挿入口７１に装着することで、モジュール上に載せた或いはモジュールの上方の試料を分析することができる。または、モジュール装置にメモリを搭載し、分析装置７０に装着したときに予め検査しておいた情報を分析する方式でもよい。
【００４４】
また、図7(b)のように、上記集積モジュールを搭載したカードに無線装置を備え、無線通信７３で情報を適宜分析装置に送信する方式、携帯電話等にモジュールを搭載したカードを接続して分析装置に送信する方式などでもよい。
【００４５】
この様な小型のミリ波、テラヘルツ波モジュールによって、各個人が容易に持ち運びでき、適宜、健康状態チェック、認証・セキュリティチェック、情報機器へのデータ・位置入力などをあらゆる場所で行うことができるシステムを提供できる。
【0046】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によって、主としてミリ波からテラヘルツ波における電磁波を用いたセンシングを行うための、電磁波の空間伝播の状態の制御、すなわちアンテナの放射強度やビーム偏向、on/offなどの制御が容易で、小型、低消費電力な集積モジュールなどとして容易に構成できる高周波電気信号制御装置ないし電磁波発生装置を実現できる。これにより、生体情報検査装置、手荷物セキュリティチェック装置、材料解析を行う透過／反射イメージング装置、ワイヤレスで位置情報をセンシングするレーダシステム、各種情報機器にデータ入力するためのポインティングデバイスなどに適用して、これらの装置ないしシステムの携帯性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第1の実施例の集積モジュールの構造の斜視図である。
【図２】図1の集積モジュールの作製方法を説明する工程図である。
【図３】テラヘルツ発生器の例の断面図である。
【図４】テラヘルツ検出器の例の断面図である。
【図５】本発明による第2の実施例の集積モジュールの構造の斜視図である。
【図６】本発明による第3の実施例の集積モジュールの構造の斜視図である。
【図７】本発明による第4の実施例のセンシングシステムを説明する斜視図である。
【図８】テラヘルツ2次元イメージングの従来例を示す図である。
【符号の説明】
１‥基板
２、３２、４４‥絶縁層
3a、3b、６０、121‥レーザ
４、６１‥光導波路
５、１７‥伝送路
６、122‥テラヘルツ発生器
７、９、２０、３０、３１、４０‥半導体層
８、６３、126‥検出器
１０‥電圧源
１１‥検出信号
１２、５２、125‥試料
13a、13b、６４、121a、121b‥伝播光
１４、５３、６６、122a‥電磁波
１６、３３‥ギャップ
２１、２４‥フォトリソパターン
２３‥露光光
34a、34b、４２、４１‥電極
４３‥ポイントコンタクト部
５０‥構造体
５１‥アンテナ
６２、124‥光遅延器
７０‥分析装置
７１‥挿入口
７２‥集積モジュールを含むカード
７３‥無線通信
128‥ハーフミラー
123‥光学系

Claims

３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの間の周波数を有する電磁波を発生する電磁波発生装置において、
レーザ素子、
前記レーザ素子から出力されるレーザ光を伝播させるための光導波路、
前記光導波路を伝播した前記レーザ光を前記電磁波に変換するための光伝導スイッチ、及び
前記光伝導スイッチで変換された前記電磁波を伝播させる導電部を含み構成される伝送路とを備え、
前記レーザ素子、前記光導波路、前記光伝導スイッチ、及び前記伝送路は基板上であって、且つ該基板の面内方向に集積されており、
前記光伝導スイッチの上面の前記光導波路側の端部には、第１の電極と第２の電極とがギャップを有するように設けられており、
前記光導波路は、該光導波路内を伝播してくるレーザ光が、前記光伝導スイッチの前記光導波路側の側面のうちの前記ギャップに対応する箇所に照射されるように配置されていることを特徴とする電磁波発生装置。
前記基板と前記伝送路に設けられた前記導電部との間に絶縁体を有し、該絶縁体と前記光導波路とが同一の材料からなる請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記基板と前記伝送路に設けられた前記導電部との間に絶縁体を有し、該絶縁体と前記光導波路は同一面に形成された光感光性を有する同一の材料からなり、前記光導波路はマスクパターン形成及び露光工程により前記絶縁体よりも屈折率が高くなるように形成されている光導波路である請求項１に記載の電磁波発生装置。
前記第１及び第２の電極は、前記伝送路を構成する前記導電部と接続している請求項 1 乃至３のいずれかに記載の電磁波発生装置。
更に、前記基板上に形成され、前記伝送路を伝播した電磁波を電気信号として検出する検出手段を有する請求項1乃至４のいずれかに記載の電磁波発生装置。
前記検出手段は、ショットキーバリアダイオード、第２の光伝導スイッチ、及びＥＯ結晶と光検出器とを組み合わせたもののいずれかである請求項５に記載の電磁波発生装置。
前記伝送路に形成された前記導電部は、前記光伝導スイッチから前記検出手段まで延びている請求項５又は６に記載の電磁波発生装置。
前記レーザ素子は異なる発振波長を持つ２つのレーザ素子からなり、前記光導波路はＹ分岐導波路であり、前記２つのレーザ素子から出射された光はＹ分岐導波路によって合波されて前記光伝導スイッチに導入され、前記光伝導スイッチは前記２つのレーザ素子の差周波に相当する電気信号を発生させる請求項１乃至７のいずれかに記載の電磁波発生装置。
前記レーザ素子はレーザパルス光を発するレーザ素子であり、
前記光導波路は前記レーザ素子から発したレーザパルス光を伝播させると共に、前記レーザパルス光を２つのレーザパルス光に分岐する光導波路であり、
前記光導波路で分岐された一方のレーザパルス光は前記光伝導スイッチで前記電磁波に変換され、
前記光導波路で分岐された他方のレーザパルス光は検出手段に導かれ、
該検出手段に導く光導波路にはレーザパルス光を遅延させる光遅延器が備えられ、
前記光遅延器で遅延量を変化させながら短パルス電気信号の時間波形を計測する請求項１乃至７のいずれかに記載の電磁波発生装置。
前記基板上に形成され、前記伝送路を伝播する電磁波を外部空間に放出すると共に、外部空間からの電磁波を受信して前記伝送路を伝播させ、前記検出手段に導くアンテナを有する請求項１乃至９のいずれかに記載の電磁波発生装置。
請求項１乃至９のいずれかに記載の電磁波発生装置を用いて、前記伝送路上に置いた物体の情報を計測することを特徴とする高周波センシング方法。
請求項１０に記載の電磁波発生装置を用いて、前記電磁波発生装置から空間的に離れた位置にある物体の情報を計測することを特徴とする高周波センシング方法。
３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの間の周波数を有する電磁波を発生する装置の作製方法であって、
基板を準備する工程、
前記基板上にレーザ素子、光伝導スイッチ、及び検出器を形成する工程、
前記基板上の前記レーザ素子、前記光伝導スイッチ、及び前記検出器を含む面に光透過性絶縁層を形成する工程、
前記光透過性絶縁層のうち前記レーザ素子から前記光伝導スイッチまで延びる光導波路を形成する領域の屈折率をマスクパターン形成及び露光工程を用いて周囲よりも高くする工程、
前記光伝導スイッチの上面の前記光導波路側の端部に、ギャップを持った電極を形成する工程、
前記光伝導スイッチから前記検出器まで延びる導電部を含み構成される伝送路を形成する工程、
を含むことを特徴とする電磁波発生装置の製造方法。
前記基板を準備する工程は、半絶縁性の GaAs 基板上に AlGaAs 層を形成する工程を含む請求項１３に記載の電磁波発生装置の製造方法。