JP4502813B2 - 同調可能な移相器及び／又は減衰器 - Google Patents

Description

本発明は移相器及び／又は減衰器に関し、特に、マイクロ波、ミリ波及びサブミリ波のスペクトルで動作可能である光学式に同調可能な移相器及び／又は減衰器に関する。移相器及び／又は減衰器は、それらに限定されるものではないが、位相偏移変調回路、テラヘルツイメージング、トランシーバ及びフェーズドアレイアンテナを含む広範な用途で利用できる。

サブミリ波範囲に関する限り、テラヘルツ技術は主として地上及び天文学及び地球観測の分野で利用されてきた。しかし、光及び赤外線領域で不透過性である多くの材料はテラヘルツ波（０．１から１０ＴＨｚ）に対しては透過性である。従って、テラヘルツ技術の用途は、最近では拡張され、テラヘルツ波が雲や霧を透過可能な航空航法、有害である可能性がある放射線を使用せずに人体組織を検査可能な医療用イメージング、及び、通常は赤外線を透過させない衣類や材料をテラヘルツ波が透過する、空港や港で利用するための非侵襲的セキュリティシステムのような分野を含むようになってきた。

テラヘルツ波がサブミリ波長であることから、アンテナ、導波路、レンズ、ミラーなどのようなコンポーネントの要求寸法及び要求精度によって、従来の製造技術の利用では製造が困難かつコスト高になる。

ミリメートル波帯域では、印加電界によって強誘電材料の誘電率を変化させることによって信号の位相が移相される強誘電移相器がしばしば使用される。しかしながら、強誘電移相器は実質的な電力損、信号歪み及び雑音があり、限定的な段階のみ提供する。

光学的に活性化される導波路タイプの移相器及び／又は減衰器は米国特許第５，０９９，２１４号（ＲＯＳＥＮ等）に開示されている。このデバイスは、導波路の内壁１２に取付けられ、内壁１２の反対側の内壁１４のアパーチャ内に配置された照射源３０からの光を受光する半導体スラブ２４を備えている。米国特許第４，２６３，５７０号（ＤＥ ＦＯＮＺＯ）では、一片の半導体材料２０が導波路の内壁２２に取付けられ、前記材料片の内表面が光源１２によって内壁２２の反対側の壁２８内のアパーチャ３０を通して照射される。

照射が導波路の反対側の壁からなされるこれらの先行技術の文献では、導波路内において、内壁から半導体片又はスラブの厚さに等しい距離に、損失が大きい抵抗層が形成される。このことは、挿入損が常に大きく、有意な移相又は減衰を得るには高レベルの光が必要であることを意味している。すなわち、この光レベルは一般に、感光性材料（Ｓｉ）を金属又は準金属状態にするための高密度のキャリヤを生成するのに十分に高いことが必要である。

従って、本発明の目的は同調可能性が向上したマイクロ波、ミリ波及び／又はサブミリ波長で動作可能な同調可能な移相器及び／又は減衰器を提供することにある。本発明によって、これは光源及び／又は光応答性材料を導波路に対して間隔を隔てて配置し、かつ光の照射によって光応答性材料内のキャリヤ密度の修正を行うことによって達成される。

一態様によれば、本発明は、内壁及び該内壁によって画定されるチャネルを有する導波路と、導波路内に配置され、内壁に直接接触している外側の面とチャネルの方に向いている内側の面とを有する一片の光応答性材料と、内壁のアパーチャを通って、一片の光応答性材料の外側の面の少なくとも一部に当たるように光を放射する、前記導波路の外側に配置された光源とを備えた同調可能な移相器及び／又は減衰器が提供される。この一態様によれば、位相は、伝播モードを変更することなく、導波路の有効幅を変更することによって修正される。

光応答性材料は、高い電気抵抗を有していることが望ましい。アパーチャに面する光応答性材料の表面は、例えば酸化される。

移相器は、さらにアパーチャに面する光応答性材料の表面全体に延在する複数の金属条片を含んでいてもよい。この金属格子の目的は、導波路内部を進行する内部波がその外部に放射されることを回避し、さらに（より短い波長の）光が導波路内に入射できるようにすることである。格子のサイズは、導波路によって伝播される放射線の周波数に依存する。

米国特許第５，０９９，２１４号ではさらに、ｎが導波路の幅を示すとして、スラブ２４が距離ｎに沿って中心にくるような距離ｘだけ、スラブ２４を壁１２から離すことも示唆されている。

しかし、導波路内部にこのようにスラブを位置決めし、かつ壁から間隔を置くことは挿入損に関してさらに好ましくない。発明者は半導体内に準金属状態の生成によって導波路の有効幅を変更する以外の現象、すなわち、通常には存在しないような別の導波路モードが伝播可能であるように、照射によって半導体の誘電率の虚数部分を変更することがあることを確認した。

光応答性材料は、真性であれ、ドーピングされたものであれ、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、又はＧｅである半導体のような光応答性材料であってもよい。

本発明の好ましい実施形態について以下に図面を参照して説明する。

図１及び２に示されている同調可能な移相器１０は導波路１１を備えており、導波路１１は、その長さ方向に延在する中心チャネル１２と、導波路１１の側面１３に形成されたアパーチャとを有する。同調可能な移相器１０はさらに、導波路内部のマイクロ波、ミリ波、又はサブミリ波の放射線が導波路系の外側で損失することを回避するための金属格子２０をも備えている。

光応答層１８が、アパーチャのほぼ全体にわたって延在するように、導波路１１のチャネル１２内に配置されている。調整可能な光照射源１４は、導波路内部の光応答性材料が光（赤外線、可視光線、紫外線．．．）をより良好に吸収するように、スペクトルのある部分での光を発する。光源１４は、光源１４から放射する放射線が、導波路１１の側面１３内に形成されたアパーチャ３０によって露出された光応答層１８の領域に照射するように、導波路の外部に配置されている。光応答性材料は導波路の壁にじかに配置され、それが配置されている壁を通して照射される。光の強度が十分である場合は、導波路の壁に最も近接した導波路の壁と光応答性材料との境界に準金属層が形成される。この層は導波路の有効幅を変更し、その結果、有効な導波波長、従って位相が変化する。準金属層２６の厚さが光の強度に依存するように、移相もそうである。

光応答層１８は、例えばＳｉ、ＡｓＧａ、Ｇｅのような半導体材料製のものでよい。

導波路１１はシリコン又は金属体１５を備えており、シリコン体１５は、長さ方向に延在する断面がほぼ方形の中心チャネル１２を有する。チャネル１２の幅と高さは、方形の導波路構造で従来から用いられているものと同じでよい。しかし、シリコン体１５のサイズは適宜調整してもよい。

シリコン体１５の内表面１６には、好適には真空蒸着及び電気めっき技術を利用して金属薄膜１７をコーティングしてもよい。シリコン体１５をコーティングするのに適した材料には、それらに限定されるものではないが、ニッケル、銅、真鍮、クロム、銀及び金が含まれる。金属コーティング１７はチャネル１２の長さにわたって伝播する放射線を反射する役割を果たす。従って、コーティング１７は放射線を反射する役割を果たすどの材料のものであってもよい。

あるいは、例えばフライス盤によって製造された完全に金属製の導波路を使用してもよい。

超精密技術を利用したテラヘルツの用途向きの金属化されたシリコンの導波路の構造は公知であり、例えばＹａｐ等の「Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ ａｎｄ Ｓｕｂｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ」、Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ：Ｔｈｉｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｒａｈｅｒｚ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ａｎｎ Ａｒｂｏｒ、Ｍｌ、ＰＰ３１６−３２３、Ｍａｒｃｈ １９９２及び「Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｆｏｒ Ｔｅｒａｈｅｒｚ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｌｕｂｃｋｅ ｅｔ．ａｌ．、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ Ｔｅｃｈ．、Ｖｏｌ．４６、ｐｐ．１８２１−１８３１、Ｎｏｖ．１９９８に記載されている。

導波路１１の側面１３内に形成されたアパーチャはシリコン体１５及び導波路１１の１つの長辺上の金属コーティング１７を通って延在形成されている。アパーチャの形状は方形で、チャネル１２の幅にほぼ等しい幅を有しているものでよい。アパーチャの長さは、動作周波数での移相の所望の程度によって特徴付けられる。一般に、アパーチャの長さが長いほど（又はむしろ光応答性リフレクタ１８の露出領域の長さが長いほど）、移相及び／又は減衰の程度は大きくなる。

半導体層１８は複数の反射性素子２０と関連付けされていてもよい。光応答性半導体層１８は、例えば形状がほぼ方形の上表面２１と下表面２２とを有している。層１８の幅はチャネル１２の幅にほぼ等しく、一方、層１８の長さは好適には導波路１１の側面１３上に形成されたアパーチャの長さよりも長い。好適には、層１８の長さはアパーチャの長さよりもやや長いだけである。層１８は、層１８が導波路１１の側面１３内に形成されたアパーチャのほぼ全体にわたって延在するように、導波路１１のチャネル１２内に固着される。光応答性材料層１８は、例えばアパーチャの長さを超えて延びる層１８の両端２４、２５に塗布される接着剤の薄層によって、チャネル１２の壁２３に固着される。あるいは、導波路が金属化されたシリコン製である場合には、層１８は導波路と一体であってもよい。

光応答性材料１８は、好適には真性シリコンからなる光導電性のものであってもよい。しかし、使用してもよい代替の光応答性材料には、それらに限定されるものではないが、ＧａＡｓ及びＧｅを含んでいてもよい。

放射光が光応答層１８の露出された表面２１に入射すると、表面２１に近接した領域に光励起キャリヤが生成される。従って、この領域での光応答性材料１８の誘電率は変化する。これは一般に光誘起反射率と呼ばれる。光応答性材料１８の放射を受ける表面２１の反射率は、入射する放射光の強度に依存して金属の反射率に等しくさえできるが、このデバイスでは、誘電率の虚数部分の大幅な増大と関連する誘電率の実数部分のわずかな増大を得るだけで十分である。この点で、光応答性材料１８は、別個の光誘起抵抗層（図４の参照番号２６）を有するものと見なすことができるが、薄層については光の作用は、深さに関して材料の誘電特性を変化させること、すなわち基本的にすべての厚さでの誘電率の虚数部分を変化させることである。

光応答性材料１８は一般に、導波路１１のチャネル１２に沿って伝播する放射線に対して透過性であるが、信号にはある程度のパワーロスが生じる。従って、光応答性材料層１８の厚さは、例えば６０及び１００μｍの間にあればよい。約１０００μｍまでのさらに厚い厚さを用いてもよい。さらに、光応答性材料１８はシリコンであることが好適である。

光励起キャリヤの寿命は、主として光応答性材料１８の格子内の移動度と再結合箇所での利用性によって決定される。キャリヤの寿命を延ばすことによって、光誘起反射層の寿命を延ばすことができる。従って、光源１４により供給される放射線をより短い期間だけ供給されるようにしてもよい。これによって、照射源により消費される電力量が低減されるだけでなく、光応答性材料１８が、連続放射により生じることがある損傷が起こり得る温度に達することも防止される。キャリヤの寿命を延ばすために、光応答層１８は、好適には高い電気抵抗率（＞１ｋΩｃｍ^−２）を有している。光応答層１８は、例えば４及び１０ｋΩｃｍ^−２の間の電気抵抗率を有するシリコンからなっていてもよい。

その上、例えば光応答性材料１８の放射を受ける表面２１を酸化することによって、キャリヤの寿命をさらに延ばすことができる。光応答性材料１８の表面２１には多数の再結合箇所がもたらされる。被放射面２１を酸化することによって、キャリヤに利用できる再結合箇所の数は大幅に減少する。従って、光応答性材料の最上面２１を酸化させることが好適である。しかし、酸化によっても、再結合箇所の数は、キャリヤの移動度に大きく影響を及ぼすのに十分高い状態にとどまる。しかし、エポキシ樹脂のような接着剤のコーティングを光応答性材料の酸化された表面に被覆することによって、キャリヤの寿命を大幅に延ばすことができる。

基本的に抵抗率が例えば４及び１０ｋΩｃｍ^−２の間である高抵抗のシリコンとエポキシ樹脂とでコーティングされた酸化上面とからなる光応答層１８を有することで、光誘導キャリヤ、従って光誘導反射層の寿命は大幅に延びる。

従って、光応答性材料を比較的低い光の強度で移相を達成し、保持してもよい。しかし、光誘導キャリヤの寿命を延ばすと、移相器の応答時間は長くなる。

しかし、光誘導キャリヤの寿命が比較的短い光応答性材料を使用することによって、迅速な応答時間を達成可能であることが理解されよう。これは例えば、抵抗が小さく、その表面が酸化されていない光応答層を使用することによって達成してもよい。

複数の反射性素子２０は、導波路１１の側面１３上のアパーチャによって画定される領域の光応答性材料１８の最上面２１上に形成される。反射層２０は反射材料の条片であることが好適である。従って、反射性素子２０は格子として配列してもよい金属条片である。それらによって光の大部分が光応答性材料に入射することが可能になる。再度記載すると、適した金属には、それらに限定されるものではないが、ニッケル、銅、真鍮、クロム、銀及び金が含まれる。条片は好適には、チャネル１２の幅とほぼ平行であり、従ってチャネル１２の長手方向に対して垂直に延びるように、光応答性材料１８の表面２１上で位置あわせされる。条片の長さは、少なくともチャネル１２の幅でよく、好適には光応答性材料１８の幅全体にわたって延びている。条片は光応答性材料１８の長さ方向に均等な間隔を隔て（又は先細にされ）、好適にはアパーチャ３０によって露出される表面２１の５０％未満を覆う。条片の幅と分離間隔は好適には１ｍｍ以下である（これは勿論、動作周波数によって左右される）。条片は、入射する放射線を殆ど損失なく全反射するのに適した厚さのものとする。条片は、例えば光応答性材料１９の表面２１にマスクを貼付し、真空蒸着を利用して金属薄膜を蒸着することによって貼付してもよい。

照射源１４は、光応答性材料層１８内に光誘起キャリヤを生成できるどのような照射源でもよく、好適には可視光線又は近赤外線波長を有する（実際には使用される光応答性材料によって吸収されるのに最良の周波数スペクトルを有する）市販のレーザ又はＬＥＤアレイである。照射源１４に必要な電力は、とりわけ光応答性材料１８の種類及び必要な移相又は減衰の程度に依存する。

電子回路は、光応答性材料の照射によって移相又は減衰の程度を制御することができる。

ここで図３を参照すると、導波路１１のチャネル１２の長さに沿って伝播する放射線は、金属コーティング１７の表面によって内部反射される。放射線が光応答性材料１８に入射すると、放射線は誘電率が低下するので材料のやや内側を伝播する。光応答性材料層１８の最上面２１に到達すると、放射線の一部は複数の反射性素子２０によってチャネル１２の方向に反射する。放射線の少量だけが空気中に透過され（破線で示されている）、そして導波路１１から出力する。光応答性材料１８に対する伝播する放射線の入射角により、光応答性材料１８内では内部反射は生じない。従って、反射性素子２０によって反射された放射線は光応答性材料１８を通ってチャネル１２内に逆伝播される。伝播する放射線はリフレクタ１８の長さによっては、導波路１１のチャネル１２の長さ方向に伝播し続ける前に、２回以上光応答性材料１８に当たることがある。

図４は、照射源１４によって供給された照射放射線が光応答性材料１８に入射する状況を示している。照射放射線は、感光性材料内にキャリヤを生成し、光応答性材料１８内に光誘起抵抗を生じさせる。光誘起抵抗層２６の有効な厚さ又は深さは、光応答性材料１８に入射する照射放射線の波長及び強度に依存する。導波路１１のチャネル１２に沿って伝播する放射線が光応答性材料１８に入射すると、放射線は光応答性材料１８を透過して光誘起反射層２６までしか伝播しない。光誘起反射層２６に達すると、伝播する放射線はチャネル１２側に反射する。

層１８内の損失が多い光誘起材料は、導波路内の伝播モードを変更して、損失が多い光照射材料に電界が入らないようにするが、その新たな導波路の基本モードの変化は移相を有効に変化させる。この時、伝播する放射線は、感光層１８が存在しない場合に導波路１１に沿って伝播する放射線とは実質的に異なる位相（又は振幅）を有している。さらに、伝播する放射線が光応答性材料１８に入射する毎に、移相が生じる。従って、光応答性材料１８の照射される長さは、移相の度合いをも決定する。位相及び／又は減衰を調整するために、この照射長さを調整してもよい。導波路内の伝播モードの変化は、照射放射線の強度と波長特性によって決定されるので、移相の程度はそれ故、照射源１４によって供給される照射放射線の強度及び／又は波長を変更することによって制御することができる。

図１〜４に示したデバイスの場合、シリコンは導波路の壁に隣接する面上で照射される。このことは重要であるが、それは、内部に（壁の近傍又はそれからやや間隔を隔てて配置された）半導体を有する方形の導波路内の電界は、導波路の中央で最大であり、縁部ではゼロであるので、導波路のより中心方向に配置された損失が多い材料は、縁部に配置された場合よりも多くのエネルギーを吸収するからである。移相器にとって最も望ましい特徴は、挿入損が少なく、少ない電力需要で大きな移相が得られることである。移相器が低い光強度レベルで照射されると、光キャリヤが発生して材料の抵抗率を変化させるが、誘電率の虚数部分も変化する。光強度が増大すると、最終的にシリコンは金属特性を現す。シリコン内に「準金属層」を達成するためには、１０^１８〜１０^２１キャリヤ／ｃｍ^３の高いキャリヤ密度がなければならない。しかし、この準金属状態は、高い抵抗率から低い抵抗率への急激な変化ではなく、両極値間での指数関数的な変化であることに留意することは重要である。領域の一方（照射される側）にはほぼ金属状態が存在し、他方は高い抵抗率の状態にあり、その間に損失が多い抵抗状態がある。挿入損の大部分を引起すのはシリコン内のこの領域である。光はシリコンの厚さ全体を通して指数関数的に減衰するので、この損失が多い層は、照射されている側ではなく、準金属状態領域の反対側に常にある。本発明の場合のように、導波路の壁の近傍のシリコン層は外側から照射されるので、この層は最初に導波路の外側で形成を開始し、従って挿入損は最小限に抑えられる。光強度が小さい場合は、損失が多い領域は材料１８の外側にもあり得る。照射が導波路の反対側の壁からなされる従来技術の特許（米国特許第４，２６３，５７０号及び米国特許第５，０９９，２１４号）では、損失が多い層は最初に、導波路の壁から、シリコンの光応答性材料１８の厚さに等しい距離を隔てて、導波路の内部で形成される。これは根本的な相違点であり、常に挿入損がより大きいことを意味している。加えて、この位置は導波路の壁に対して固定されている。このことは、シリコン内のあらゆる抵抗率の変化がシリコンの最も内側の縁部と導波路の壁との間で生じることを意味している。その結果、それが導波路の有効幅の変化に対して及ぼす影響は比較的少ない。本デバイスのように外側からの照射では、逆のことが当てはまる。

導波路１１のチャネル１２の寸法、光応答性リフレクタ１８のサイズ及び特性、並びに導波路１１の側面１３に形成されるアパーチャのサイズは、すべて移相器１０の所望の性能に適合するように調整されてもよい。ここで、テラヘルツ周波数の移相に利用されてもよい寸法例について説明する。チャネル１２の幅及び高さは、それぞれ約１．５ｍｍ及び０．７５ｍｍが望ましい。それによって約０．１ＴＨｚの導波路遮断周波数が得られる。従って、シリコン体１５を構成するために使用されるシリコンウェハの厚さは約０．７５ｍｍである。金属コーティング１７は５００ｎｍ程度であるのが望ましい。導波路の側面１３上に形成されるアパーチャ３０の幅も約０．７５ｍｍである。アパーチャ３０の長さは約２ｃｍであるのが望ましい。光応答性材料層１９は、約０．７５ｍｍ、２．５ｃｍ及び７０μｍの幅、長さ、及び厚さをそれぞれ有しており、典型的には最上面２１に、又は約１０〜５０ｎｍである酸化層を有している。各反射性素子は、約０．５ｍｍ、０．７５ｍｍ及び５００ｎｍの幅、長さ、及び厚さをそれぞれ有しているのが望ましい。反射性素子の間隔は０．５ｍｍであるのが望ましい。

上記した実施形態は、単一のアパーチャと、アパーチャ全体にわたって延在する単一の光応答層１８とを有する導波路を備えているが、導波路１１の反対側に２つのアパーチャを形成してもよいことが理解されよう。その場合には２つ以上の光応答層が使用され、達成可能な移相又は減衰の度合いを２倍、３倍、又は４倍にできる。単一のアパーチャ及び光応答性材料リフレクタ１８の長さを２倍にすることで、同じ技術的効果が得られることが理解されよう。それにもかかわらず、移相器のサイズ、特に移相器の長さが重大な考慮対象である場合は、２つ以上のアパーチャ３０及び２つ以上の光応答層１８を備えた移相器が検討されよう。

複数の反射性素子２０は省いてもよいことが理解されよう。この状況では、光誘起反射層２６が連続的に存在するように、ある形態の照射放射線が光応答リフレクタ１８に供給されなければならない。例えば、照射源１４は光応答リフレクタ１８を継続的に放射線で照射してもよい。あるいは、照射源１４はパルスの強度が高い照射を供給してもよい。

アパーチャに面する光応答性材料１８の表面２１上に複数の反射性素子２０を形成するのではなく、反射性素子２０をガラス板のような別個の素子上に形成することもできよう。その場合は光応答性材料１８の上部に載置されるように、ガラス板をアパーチャ内に配置することができよう。

移相器１０はさらに、移相による伝播放射線の振幅を補償するために可変光減衰器のような減衰器、又は必ずしも移相デバイスに隣接している必要がない簡単な同調可能な減衰器を備えていてもよい。さらに、その場合には信号の位相及び振幅の両方の変調が可能である。

ミリ波長の信号には、テラヘルツ（サブミリメートル）の周波数の場合よりも寸法が大きい導波路が必要である。従って、可能な移相の程度は、導波路の高さに対する光誘導層の厚さの比率が低下することにより低下する。しかし、移相のこのような低下は長さがより長い光応答性材料１８を使用することによって補償可能である。

光応答性材料１８は一般に伝播する信号を透過するので、一般に強誘電性移相器と比較してパワーロスは少ない。

下記は、発明者によって確認されたように、シリコンが赤外線波長の光源によって照射されるとシリコンの複素比誘電率を変更可能である、シリコンの光学特性によって移相器に得られる利点に関するものである。

近赤外線／可視光線の光源によってシリコンを照射すると、電子正孔対が生成され、従ってプラズマが生成される。このプラズマは入射光の強度と波長に直接依存する。

光がシリコンウェハに垂直に入射すると仮定すると、材料の特性を説明する公式は下記のようになる。

空気−シリコンの境界で反射する光量は：

ここで、ｎ＝ｎ_ｒ＋ｊ・ｎ_ｉであり、ｎはシリコンの屈折率である。

吸収係数の値がゼロ以上である場合は、反射する全ての光のパーセンテージＲを下記の方程式を用いて算定することができる。

ここで、係数αはシリコンの吸収係数であり、これは光の波長に依存する。図５を参照。またｔはシリコンウェハの厚さである。

無限級数内の各項は、光がシリコンウェハ表面の間で反射するので連続的な反射に関連している。同様に、透過率Ｔは下記の方程式を用いて算定できる。

ここで、吸収率Ａは下記によって得られる。

本質的にシリコン内には強い吸収領域が２つある。図５は可視遠赤外線及び赤外線のそれぞれについて吸収率対光子波長のグラフを示している。エネルギーギャップ以上である光子エネルギーの場合、自由キャリヤの発生を伴う通常の吸収が生じる。

図６には波長（ナノメートル単位）に対するシリコン材料の屈折率のプロットが示されている。屈折率はスペクトルの紫色で最大であり、これは紫−青の光が他の可視カラーよりも強くシリコンによって反射されることを意味しており、従ってこの材料が紫−青の色に見えるのである。

図７では、厚さが６００μｍのシリコンウェハによって吸収され、反射され、透過される光出力量を見ることができる。最大の吸収は赤の可視光線と近赤外線波長の場合に起こる。

さらに図８では、シリコンによって吸収される光の比率対光子波長（ナノメートル単位）を示すために、材料によって吸収される光出力に関して、厚さが異なる３つのウェハの比較が示されている。

電子正孔対を含む半導体の複雑な比誘電率は２つの従属項、すなわち電子（ｅ）と正孔（ｈ）の和として表わされる。

ここで、

はプラズマの角周波数であり、ε_ｕ＝１１．８はシリコンの暗誘電率であり、ν_ｉは衝突角周波数であり、ｍ_ｉはキャリヤの有効質量であり、ｑは電子の電荷であり、ε_０は自由空間の誘電率である。

計算上の理由により：ε_０＝８．８５４・１０^−１２Ｆ・ｍ^−１、ν_ｅ＝４．５３・１０^−１２ｓ^−１、ν_ｈ＝７．７１・１０^１２ｓ^−１、ｍ_ｅ＝０．２５９・ｍ_０、ｍ_ｈ＝０．３８・ｍ_０、ｍ_０＝９．１０７・１０^−２８ｇは自由電子の質量であり、Ｎはプラズマ中に生成されるキャリヤの数である。

材料の誘電率は実数部分と虚数部分として定義される。実数部分と虚数部分との関係は、いわゆる材料のｔａｎ（δ）と呼ばれるものである。この重要な材料パラメータは電磁波が通過する時の材料損と直接関連している。

以下の図面では、それぞれ４０ＧＨｚ及び２５０ＧＨｚの異なる周波数でのシリコンの誘電率及びｔａｎ（δ）のプロットが、キャリヤ密度に対して示されており、Ｎは１０^１０及び１０^２０／ｃｍ^３の間である。

例えば、図９ではキャリヤ密度が１０^１７ｃｍ^−３の場合、４０ＧＨｚでのシリコンの誘電率は８５．６であり、Ｎ＝１０^１８ｃｍ^−３の場合には、シリコンが実際に高い誘電率を有する７５０である。Ｎが１０^１７ｃｍ^−３を超える場合、シリコンの誘電率の実数部分と虚数部分とは同じ勾配で増大し、従ってｔａｎ（δ）は一定になる。

光がない状態では、シリコン内のキャリヤの量は約１０^１０／ｃｍ^−３であり、ｔａｎ（δ）は４０ＧＨｚで約１０^−４である。しかし、キャリヤ濃度は光とともに増大するので、シリコンは極めて損失が多い材料になり、その誘電率が極めて安定した状態に保たれる。本明細書の下記の節からわかるように、光波を減衰させ且つデバイスの減衰機能にとって有益である材料ロスの変化よりも、電磁波の伝播特性に影響を及ぼすためにシリコン材料の誘電率を変化させることが、移相にとって有益である。従って、面積あたり一定量の光が必要とされる。

図１０から、ミリ波周波数がより高い（２５０ＧＨｚ）場合には、材料の誘電率の実数部分は４０ＧＨｚの場合とまったく同様に振舞うが、虚数部分はそれより低く、光とともに同じ勾配で増大し、従って実際に、損失はより高いミリ波周波数におけるよりも少ないことがわかる。

上記の特性を理解すれば、強度可変の光源によって、誘電材料特性の変化を達成可能であるということができる。この特性は、光照射によってミリ波周波数での多様なコンポーネントを設計し、製造するための新たな利用分野を開くものである。我々はＡｎｓｏｆｔ−ＨＦＳＳによる有限要素法計算において、プラズマの厚さは一定であり、一方、この厚さでのプラズマ密度は照射される光の強度とともに変化すると仮定している。

この研究の主要な理由は、方形導波路技術向けの移相器の設計、製造、及び計測を行うことである。同調可能な移相器は、高い精度で、またできる限り少ない損失で移相を達成する必要がある。最良の態様は３６０°移相の同調可能な移相器である。このコンセプトの主要な構想は、方形導波路内に一片のシリコンを配置し、適切な条件の光照射によって誘電特性を変化させることにある。あるサイズのシリコン片が方形の導波路内に配置され、照射されると、それが導波路の伝播特性と導波路の透過特性を変化させる。

方形導波路の特性が変化しないように、光透過性であり、且つミリ波にとって「金属的」である、導波路の壁にある１つの金属格子を用いて照射を行ってもよい。

さらに、シリコン片を内部に配置して導波路の伝播特性の変更を行うには一定量の光が必要であった。事実、波長が増大すると、変更させるために要するシリコン片が小さくなるので、面積単位あたりの光量が減少するということを確認することは容易である。実際に、周波数を１０倍に増大させると、単位面積あたりの必要な光量は１００分の１に減少する。

製造及び計測を容易にするという理由から、一例の設計は、ＷＲ−２８型の標準的な導波路に関してＫａ帯域で準備された。この導波路の寸法はａ＝７．１ｍｍ、ｂ＝３．６ｍｍであり、図１１には周波数に対するこの導波路内の波長が示されている。さらに図１１から、パラメータが７．１ｍｍから５ｍｍに変化することによる、ＷＲ−２８導波路内の波長（ｍｍ単位）への影響がわかる。

方形導波路内の波長は下記によって定義される。

ここで、λ_０は自由空間での波長であり、ａは方形導波路の最長寸法である。

この式は、方形導波路内で（ａ）パラメータを変更すると、その波長が変化し、実際に一定の長さの導波路では位相が変化することを意味している。従って、導波路の壁の１つにシリコン片を配置し、その誘電率を１１．８から１００超に変更すると、実際に、導波路の（ａ）寸法が変化し、ある周波数について導波路内の波長が変化する。

その際に位相変化の量はシリコン片の厚み、導波路内でのシリコン片の位置、その長さ、及び光を照射されるシリコンの達成される誘電率に依存する。短い長さで大幅な位相変化を達成し、導波路を遮断に近い状態に近づけようとすると、デバイスの戻り損が大幅に増大するので、導波路内の損失を回避するために特段の注意を払わなければならない。

壁の１つ内に一片のシリコンを有する導波路を分析すると（図１２ａを参照）、通常の方形導波路と極めて類似した伝播モードが生じるという結論に達することができる。実際に、図８ｂからわかるように、基本的なモードは通常の方形導波路のＴＥ_１０に極めて類似しており［導波の電界の定理、Ｃｏｌｌｉｎ］、このモードは少量の電界しかシリコン挿入物内を移動しないので損失が少なく、この種類の導波路の遮断周波数は通常の方形導波路の場合よりも低いという利点を有している（さらなる利点として、より高い周波数帯域で出現することが可能な他のモードに注意を払わなければならない）。

図１３には、導波路の壁に厚さが３００μｍのシリコンを有するＷＲ−２８導波路の、暗い状態と光照射された状態での波長が示されている。

図１３に示されているように、通常のＷＲ−２８導波路の波長と、壁に厚さ３００μｍのシリコンを充填した同じ導波路の暗い状態での波長はほぼ同じである。シリコンに光を照射すると、その内部の誘電率が変化し、波長の変化、及び実際に位相の変化が生じる。短いデバイスで有効な位相変化を達成するためには、光照射によるシリコンの誘電率の変化が大きくなければならない。

一例として、材料の誘電率を１１．９から５００に変化させると、Ｋａ帯域全体において全体として３６０°の位相変化を達成するためには長さ４０ｍｍのシリコンが必要であるが、誘電率が１００に達するだけならば、約３００ｍｍのシリコンの長さが必要である。従って、後者の場合、目標が３６０°の移相を得ることである場合には、そのデバイスはそれほど実際的ではない。

４０×３．６ｍｍの面積にわたって効率的でコンパクトなデバイスを可能にするために誘電率５００に達するには（図５を参照）、キャリヤの密度が１０^１８を超えなければならず、これは極めて高い値である。このような高密度のプラズマは通常の発光装置では達成されず、高価な装置が必要になる。

図１４から、１ｍｍのより厚いシリコン片が使用されると、Ｋａ帯域全体で３６０°の位相変化を達成するために、誘電率を１１．９から５０に変化させる長さ１５ｍｍのシリコンで十分であることがわかる。これは約５・１０^１６のキャリヤ密度を意味し、これは容易に得られる。

誘電材料を方形導波路内に、その主要モードの電界と平行に、内壁から間隔を隔てて配置する場合、簡単な有限要素法シミュレーションモデルを解いて、その種類の導波路の伝播モード及びその特性を導出することができる。

この種類の導波路のモードを暗い状態について分類すると（図１５及び１６）、３つの主要な伝播モードがあることがわかる（厚さが３００μｍのシリコン片が０．８５ｍｍの内部に配置されたＷＲ−２８型導波路）。

図１５に示されているように、この種類の導波路の第１のモードは、電界の一部が誘電体内にあり、電解の一部が導波路内にある第１の種類のＴＥ_２０モードである。誘電体内の電界強度は導波路の残りの部分よりも大幅に小さく（例えば１０倍以上）、従って損失は大きくない。さらに、このモードは通常の方形導波路のＴＥ_１０と極めて良好に結合する。

この種類の導波路の第２のモードは、電界が誘電体内に集中している第２の種類のＴＥ_２０モードであり（図１６ａ）、従って移相用には極めて損失が多いが、減衰器としては極めて有効である。同じ原理をこの種類の導波路の第３のモードにも適用でき、それは電界が誘電体内部に集中しているＴＭ_１１である（図１６ｂ）。

図１７には、この種類の導波路の特定の例が示されている。厚さが３００μｍのシリコン片が導波路の０．８５ｍｍ内部に配置されたＷＲ−２８導波路に関して、２つの主要モードの波長が周波数に対してプロットされている。ＴＭ_１１モードはプロットされていない。通常の方形導波路のＴＥ_１０へのＩＧＳ結合の効率は極めて低く、従ってこれは減衰器に適しており、移相には適さない。

図１７の例から、最も有利なモードであると見られるＴＥ_２０モード（曲線ＩＩ、ＩＶ、ＶＩＩＩ、ＩＸ、Ｘ）は、光が照射されないシリコンに関して、極めて迅速に遮断に達することがわかる。しかし、シリコンへの照射が増大すると、その遮断周波数は低下する。ＴＥ_１０モードはキャリヤ密度６．１０^１４超で遮断周波数になるので（曲線ＶＩＩ）、照射が増大すると、この損失の多いモードはもはや存在せず、損失は大幅に低減し、生き残る唯一のモードはＴＥ_２０モードである。これは、シリコンの誘電率が増大すると、通常の方形導波路のＴＥ_１０にさらに類似してきて、シリコン内のその電界は大幅に低下する（従ってコンポーネントの損失が低下する）。導波路の寸法及び／又は誘電体片の厚さが異なると、それを超えればＴＥ_１０モードが遮断状態になるキャリヤ密度も異なるが、この作用は、光の強度を調整することによって、このモード（又は同じ種類の他のモード）を遮断状態にするのに使用できる。

従って図１７の例で得られるのは、
・ 導波路内の波長が、２６．５ＧＨｚで、１３ｍｍ（ＴＥ_１０モード）から２５ｍｍ超（ＴＥ_２０モード）へと変化し、シリコン片内のキャリヤの量が１０^１２から１０^１５へと変化すること
・ ＴＥ_２０モードだけを仮定すれば、３５ＧＨｚでの波長が１６ｍｍから１３ｍｍへと変化すること
・ 及び、ＴＥ_２０モードだけを仮定すれば、４０ＧＨｚでの波長が１１ｍｍから９ｍｍへと変化すること
である。

この構造で、４４ｍｍの長さ、及びそれほど大量ではない光量で、約３４ＧＨｚから４０ＧＨｚの周波数範囲で完全な３６０°移相器が動作する（１立法センチあたり１０^１５のキャリヤ）。

低周波数（３４ＧＨｚ未満）、及び暗い状態（光の照射なし）では、移相器内の進行モードはＴＥ_１０であり、光照射がなされる場合は、モードはＴＥ_２０に変化しなければならない。移動相器のＴＥ_１０は通常の導波路のＴＥ_１０に良好に結合せず、２つの遷移部分での結合損失が大きい。その上、ある長さのシリコン内部を進行するパワーに固有の損失が大きい。

本発明によって、内部反射が生じ、すべての光が吸収され、一片の光応答性材料の長さ方向に伝播するように、一片の光応答性材料をブルースター角（又はそれ未満）で照射できる。それによって所定の移相又は減衰レベルに必要な光量が低減される。

本発明に係る導波路技術における同調可能な移相器又は同調可能な減衰器の概略断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った本発明に係る導波路技術における同調可能な移相器又は同調可能な減衰器の概略断面図である。 本発明に係る導波路技術での同調可能な移相器又は同調可能な減衰器を通って伝播する放射線の概略断面図である。 本発明に係る導波路技術における同調可能な移相器又は同調可能な減衰器を通って伝播する放射線のさらに別の概略断面図である。 光子の波長（ナノメートル単位）に対するＳｉの吸収率α（ｍｍ^−１単位）を示すグラフである。 光子の波長（ナノメートル単位）に対するＳｉの屈折率を示すグラフである。 光子の波長（ナノメートル単位）に対する、Ｓｉによって反射、透過、及び吸収される光線（それぞれ曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩ）の比率を示すグラフである。 光子の波長（ナノメートル単位）に対する、Ｓｉウェハの厚さが３つの異なる厚さ、５０μ（Ｉ）、１００μ（ＩＩ）及び６００μ（ＩＩＩ）である場合にＳｉによって吸収される光線の比率を示すグラフである。 ４０ＧＨｚでのＳｉの誘電率とｔａｎδを示すグラフである。 ２５０ＧＨｚでのＳｉの誘電率とｔａｎδを示すグラフである。 Ｋａ帯域での周波数、及びパラメータａに対する、ＷＲ−２８型導波路内の波長（ミリメートル単位）の変化を示すグラフである。 導波路の壁に厚さｔの一片の誘電体で不均一に充填された導波路を示す図である。 導波路の壁に厚さｔの一片の誘電体で不均一に充填された導波路内部での基本モードＴＥ_１０を示す図である。 異なる光の状態における、導波路の壁内に厚さ３００μｍのシリコンを有するＷＲ−２８型導波路内部の波長（ミリメートル単位）の曲線を、周波数（ＧＨｚ）の関数として示すグラフである。 ３００μ（Ｉ）、５００μ（ＩＩ）及び１０００μ（ＩＩＩ及びＩＶ）であるＳｉ片を壁内に有するＷＲ−２８型導波路の波長（ミリメートル単位）の曲線を、周波数（ＧＨｚ）の関数として示すグラフであり、厚さが１０００μに関しては２つの異なる光の状態である。 導波路の壁から間隔を隔てて内部に誘電体片を不均一に充填され、その結果として生じるＴＥ_２０モードに関して、ＷＲ−２８型導波路を示す図であり、このモードは従来の方形導波路のモードとは等しくない。 導波路の壁から間隔を隔てて内部に誘電体片を不均一に充填され、その結果として生じるＴＥ_１０モードに関して、ＷＲ−２８型導波路を示す図であり、このモードは従来の方形導波路のモードとは等しくない。 導波路の壁から間隔を隔てて内部に誘電体片を不均一に充填され、その結果として生じるＴＥ_１１モードに関して、ＷＲ−２８型導波路を示す図であり、このモードは従来の方形導波路のモードとは等しくない。 導波路の壁から０．８５ｍｍだけ間隔を隔てて配置され、厚さが３００μの暗いシリコン片を有するＷＲ−２８型導波路内の、ＴＥ_１０及びＴＥ_２０モード並びにシリコン片内の異なるキャリヤ密度に対応する異なる照射レベルに関する、伝播モードの波長（ミリメートル単位）を示すグラフである。 導波路の壁から０．８５ｍｍだけ間隔を隔てて配置されたシリコンを有するＷＲ−２８型導波路の、異なる周波数、及び６つの異なる照射状態での伝播を示す図である。

Claims (6)

1. 内壁（２３）及び該内壁によって画定されるチャネルを有する導波路（１１）と、
   前記導波路内に配置され、前記内壁に直接接触している外側の面（２１）と前記チャネルの方に向いている内側の面（２２）とを有する一片の光応答性材料（１８）と、
   前記内壁のアパーチャ（３０）を通って、前記一片の光応答性材料（１８）の前記外側の面（２１）の少なくとも一部に当たるように光を放射する、前記導波路の外側に配置された光源とを備える同調可能な移相器及び／又は減衰器。
2. 前記光応答性材料（１８）は、例えばＳｉ、ＧａＡｓ、又はＧｅのような光導電性材料である請求項１に記載の同調可能な移相器及び／又は減衰器。
3. 前記アパーチャに面する前記一片の光応答性材料の少なくとも表面が酸化されている請求項１又は２に記載の同調可能な移相器及び／又は減衰器。
4. 前記アパーチャに面する前記一片の光応答性材料の少なくとも表面がエポキシ樹脂のコーティングを有する請求項３に記載の同調可能な移相器及び／又は減衰器。
5. 前記アパーチャに面する前記一片の光応答性材料の少なくとも表面の一部が反射性素子の条片によって覆われている請求項１〜４のいずれか一項に記載の同調可能な移相器及び／又は減衰器。
6. 前記条片が格子を形成する請求項５に記載の同調可能な移相器及び／又は減衰器。

Images