JP4762944B2 - テラヘルツアンテナモジュール - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波を発生又は検出するためのテラヘルツアンテナモジュールに関する。

従来のテラヘルツアンテナモジュールとして、例えば特許文献１には、テラヘルツ光集光レンズとテラヘルツ光検出素子部とがシリコングリース等を用いて接着させられた状態で本体ブロックに支持されたテラヘルツ光検出器が記載されている。このテラヘルツ光検出器においては、テラヘルツ光集光レンズとテラヘルツ光検出素子部とが、本体ブロック、レンズ保持板及び基板保持部材によって位置決めされ、テラヘルツ光検出素子部の電極部に銀ペーストを介して導電部材が配置された状態で、押し付け部材によって本体ブロックに固定されている。
特開２００４−２０７２８８号公報

しかしながら、特許文献１記載のテラヘルツ光検出器には、テラヘルツ光集光レンズとテラヘルツ光検出素子部との位置決めや、テラヘルツ光検出素子部に対する電気信号の伝送の実現に、緻密な部品が多数使用されているため、構造の複雑化という問題がある。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、構造を単純化することができるテラヘルツアンテナモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るテラヘルツアンテナモジュールは、テラヘルツ波を発生又は検出するためのテラヘルツアンテナモジュールであって、凹部、及び凹部の底面に形成された開口を有し、電気信号入出力用ピンを有する電気信号入出力ポートが取り付けられたベースと、凹部の内面に接触した状態で開口を包囲するように凹部に配置された緩衝部材と、緩衝部材に球面部が接触した状態で凹部に配置され、テラヘルツ波を透過させる半球状レンズと、所定の波長の光を通過させる基板、及び電気信号を伝送する信号配線を有し、凹部に配置された配線基板と、半球状レンズの平面部に接触した状態で所定の波長の光が光導電アンテナ部に照射されるように配線基板に固定され、信号配線と電気的に接続された光導電アンテナ素子と、ベースに取り付けられ、配線基板、光導電アンテナ素子及び半球状レンズを緩衝部材に対して押圧すると共に、配線基板を電気入出力用ピンに対して押圧するカバーと、を備え、凹部は、開口側の第１の部分及びカバー側の第２の部分を含み、第２の部分は、開口側から見て第１の部分よりも拡幅されており、第１の部分には、少なくとも緩衝部材が配置され、第２の部分には、少なくとも配線基板が、第２の部分の側面に配線基板の側面が沿う状態で配置されており、半球状レンズの光軸が光導電アンテナ部を通るように、第２の部分によって配線基板が位置決めされ、緩衝部材によって半球状レンズが位置決めされていることを特徴とする。

このテラヘルツアンテナモジュールでは、光導電アンテナ素子が配線基板に固定され、配線基板の信号配線と電気的に接続されている。また、緩衝部材、半球状レンズ、光導電アンテナ素子及び配線基板がベースの開口側からこの順序でベースの凹部に配置され、ベースへのカバーの取付けによって、配線基板、光導電アンテナ素子及び半球状レンズが緩衝部材に対して押圧されている。これらにより、単純な構造でありながら、配線基板の信号配線を介して光導電アンテナ素子に対する電気信号の伝送を実現することができ、また、少なくとも半球状レンズの光軸方向において半球状レンズと光導電アンテナ素子とを位置決めすることができる。

また、凹部は、開口側の第１の部分及びカバー側の第２の部分を含み、第２の部分は、開口側から見て第１の部分よりも拡幅されており、第１の部分には、少なくとも緩衝部材が配置され、第２の部分には、少なくとも配線基板が配置されている。更に、半球状レンズの光軸が光導電アンテナ部を通るように、凹部によって配線基板が位置決めされ、緩衝部材によって半球状レンズが位置決めされている。これらによれば、単純な構造で、半球状レンズの光軸方向と直交する方向において半球状レンズと光導電アンテナ素子とを位置決めすることができる。

本発明に係るテラヘルツアンテナモジュールにおいては、緩衝部材は、球面部の直径よりも小さい内径を有する円環状に形成されていることが好ましい。これによれば、半球状レンズの破損を防止しつつ、半球状レンズの保持及び位置決めを確実化することができる。

本発明に係るテラヘルツアンテナモジュールにおいては、信号配線は、基板において光導電アンテナ素子側の面からその反対側の面にスルーホールを介して引き出されていてもよい。これによれば、配線基板の信号配線に対するアクセスを容易化することができる。

本発明に係るテラヘルツアンテナモジュールにおいては、基板は、所定の波長の光が通過する光通過孔を有していてもよいし、基板は、所定の波長の光を透過させる材料からなっていてもよい。これらによれば、所定の波長の光を励起光として光導電アンテナ素子の光導電アンテナ部に照射することができる。

本発明に係るテラヘルツアンテナモジュールにおいては、カバーは、板バネとして配線基板、光導電アンテナ素子及び半球状レンズを緩衝部材に対して押圧することが好ましい。これによれば、配線基板、光導電アンテナ素子及び半球状レンズを緩衝部材に対して確実且つ容易に押圧することができる。

本発明によれば、構造を単純化することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び２に示されるように、テラヘルツアンテナモジュール１は、テラヘルツ波を発生して前方（図２において下方）に出射したり、或いは前方（図２において下方）から入射したテラヘルツ波を検出したりするためのものである。テラヘルツアンテナモジュール１は、金属からなる直方体状のベース２を備えている。ベース２は、プラスチックやセラミックからなる母体の表面に金属膜が形成されたものであってもよい。

ベース２は、その後面２ｂに形成された凹部３を有している。凹部３は、ベース２の後面２ｂに形成された断面矩形状の凹部（第２の部分）４、及び凹部４の底面４ａに形成された断面円形状の凹部（第１の部分）５を含んでいる。更に、ベース２は、凹部５の底面５ａ（すなわち、凹部３の底面）に形成された開口６を有している。開口６は、凹部５の底面５ａからベース２の前面２ａに貫通している。なお、凹部４は、開口６側から見て（すなわち、前方から見て）凹部５よりも拡幅されている。更に、ベース２は、後述する半球状レンズ８の先端を保護するために、前面２ａの周囲に枠を設けてあることが好ましい。

凹部５には、バネ性や弾性を有する材料からなる円環状の緩衝部材７が、凹部５の底面５ａ及び側面５ｂに接触した状態で開口６を包囲するように配置されている。緩衝部材７の材料としては、ビニール、プラスチック、テフロン（登録商標）等を用いることができるが、入手性が容易な緩衝部材７としてＯリングを用いることができる。

更に、凹部５には、緩衝部材７に球面部８ａが接触した状態で、テラヘルツ波を透過させる半球状レンズ８が配置されている。つまり、緩衝部材７の内径は、球面部８ａの直径よりも小さくなっている。半球状レンズ８の平面部８ｂは、凹部４の底面４ａと略平行になっており、球面部８ａの頂部は、開口６を介して外部に臨んでいる。半球状レンズ８の材質としては、テラヘルツ波に対して高い透過性を有する高抵抗のシリコンを用い、また、半球状レンズ８の形状としては、テラヘルツ波を効率良く放射又は集光するために超半球形のレンズとすることが好ましい。

凹部４には、凹部４の側面４ｂに側面９ｂが沿う状態で、矩形状の配線基板９が配置されている。図３に示されるように、配線基板９は、セラミックやガラス入りエポキシ樹脂等、絶縁性を有する材料からなる矩形状の基板１１を有している。基板１１の中央部分には、後方（図２において上方）から入射した可視乃至赤外光（所定の波長の光）が通過する断面円形状の光通過孔１２が形成されている。これにより、基板１１は、可視乃至赤外光を通過させる。また、光通過孔１２には、ガラスや石英等、可視乃至赤外光を透過させる材料からなる光透過部材１３が嵌められていることが好ましい。これにより、後述する光導電アンテナ素子１７の表面を保護することができる。

基板１１の前面１１ａには、金属からなる信号配線１４及び接地配線１５が、光通過孔１２を挟んで対向するように形成されている。信号配線１４は、電気信号を伝送する配線であって、後述する電気信号入出力用ポート２３の電気信号入出力用ピン２４に電気的に接続されている。接地配線１５は、接地をとるための配線であって、導電性を有するベース２に電気的に接続されている。

図２に示されるように、配線基板９には、半球状レンズ８の平面部８ｂに接触した状態で矩形薄板状の光導電アンテナ素子１７が固定されている。図４に示されるように、光導電アンテナ素子１７は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１８、半絶縁性ＧａＡｓ基板１８上に低温ＭＢＥ（分子線エピタキシ成長法）によって形成されたＧａＡｓ層１９、ＧａＡｓ層１９上に形成された一対のオーミック電極２１，２１を有している。一対のオーミック電極２１，２１は、光導電アンテナ素子１７の中央部分においてアンテナ形状とされ、光導電アンテナ部２２を形成している。

図５に示されるように、光導電アンテナ素子１７は、基板１１の光通過孔１２に光導電アンテナ部２２が対向するように（すなわち、基板１１を通過した可視乃至赤外光が光導電アンテナ部２２に照射されるように）、配線基板９にフリップチップボンディングによってマウントされている。ボンディングには、Ａｕや半田のバンプ、或いはＡｇペーストや導電性エポキシ樹脂等が用いられ、光導電アンテナ素子１７の一方のオーミック電極２１は、配線基板９の信号配線１４と電気的に接続されており、光導電アンテナ素子１７の他方のオーミック電極２１は、配線基板９の接地配線１５と電気的に接続されている。なお、一方のオーミック電極２１を信号配線１４に位置決めし、他方のオーミック電極２１を接地配線１５に位置決めすることで、光通過孔１２に光導電アンテナ部２２が対向させられる。

図１及び２に示されるように、ベース２には、電気信号入出力用ポート２３がネジ等によって取り付けられている。電気信号入出力用ポート２３の電気信号入出力用ピン２４は、配線基板９において基板１１の前面１１ａに形成された信号配線１４に電気的に接続されている。電気信号入出力用ポート２３としては、コンパクトであり且つ汎用的なＳＭＡやＢＮＣ等の同軸コネクタを用いることができる。

ベース２の後面２ｂには、矩形薄板状のカバー２５がネジ２６によって取り付けられている。カバー２５には、配線基板９の光通過孔１２を囲むように光通過孔２７が形成されている。カバー２５は、配線基板９、光導電アンテナ素子１７及び半球状レンズ８を緩衝部材７に対して押圧していると同時に、配線基板９を電気信号入出力用ポート２３の電気信号入出力用ピン２４及びベース２の凹部４の底面４ａに対して押圧している。カバー２５の材料としては、カバー２５が配線基板９等を緩衝部材７に対して確実且つ容易に押圧し得る板バネとして機能するよう金属を用いることが好ましいが、セラミックやプラスチック等を用いてもよい。なお、先述の光通過孔１２に嵌められた光透過部材１３に換えて、光通過孔２７に光透過部材が嵌められてもよく、光通過孔１２，２７のいずれに光透過部材が嵌められた場合にも、光導電アンテナ素子１７の光導電アンテナ部２２を保護することができる。

カバー２５によって、配線基板９、光導電アンテナ素子１７及び半球状レンズ８が緩衝部材７に対して押圧された状態においては、半球状レンズ８の光軸ＯＡが光導電アンテナ素子１７の光導電アンテナ部２２を通るように、凹部４によって配線基板９が位置決めされ、緩衝部材７によって半球状レンズ９が位置決めされている。このとき、緩衝部材７の内径が半球状レンズ８の球面部８ａの直径よりも小さい円環状に形成されているため、半球状レンズ８がベース２に直接接触して破損するような事態を防止しつつ、半球状レンズ８の保持及び位置決めを確実化することができる。また、光導電アンテナ素子１７をベース２に直接固定しないため、光導電アンテナ素子１７の破損を防止することができる。また、これにより、光導電アンテナ素子１７の裏面が、半球状レンズ８の平面部８ｂに直に密着して固定されるため、シリコングリースなどで接着する方法に比べて、テラヘルツ波の特定の周波数成分が吸収されるような事態を防止することができる。

以上のように構成されたテラヘルツアンテナモジュール１の動作について説明する。

テラヘルツアンテナモジュール１がテラヘルツ波発生モジュールとして使用される場合、電気信号入出力用ポート２３及び配線基板９の信号配線１４を介して光導電アンテナ素子１７の一対のオーミック電極２１，２１間にバイアス電圧が印加されると共に、配線基板９の光通過孔１２を介して光導電アンテナ素子１７の光導電アンテナ部２２に可視乃至赤外光が励起光として照射される。これにより、光導電アンテナ素子１７のＧａＡｓ層１９で励起された自由キャリアがバイアス電圧による電場で加速されて一対のオーミック電極２１，２１間に電流が流れる。この電流の変化によってテラヘルツ波が発生し、半球状レンズ８を介して前方に出射される。

テラヘルツアンテナモジュール１がテラヘルツ波検出モジュールとして使用される場合、配線基板９の光通過孔１２を介して光導電アンテナ素子１７の光導電アンテナ部２２に可視乃至赤外光が励起光として照射され、光導電アンテナ素子１７のＧａＡｓ層１９で自由キャリアが励起される。このとき、前方から半球状レンズ８を介して光導電アンテナ部２２にテラヘルツ波が入射すると、ＧａＡｓ層１９で励起された自由キャリアがテラヘルツ波による電場で加速されて光導電アンテナ素子１７の一対のオーミック電極２１，２１間に電流が流れる。この電流が配線基板９の信号配線１４及び電気信号入出力用ポート２３を介して検出される。

次に、テラヘルツアンテナモジュール１の組立方法について説明する。

まず、図６（ａ）に示されるように、緩衝部材７が、ベース２の凹部５の底面５ａ及び側面５ｂに接触した状態で開口６を包囲するように凹部５に配置される。続いて、図６（ｂ）に示されるように、半球状レンズ８が、緩衝部材７に球面部８ａが接触した状態で凹部５に配置される。

その後、図７（ａ）に示されるように、光導電アンテナ素子１７が固定された配線基板９が、ベース２の凹部４の側面４ｂに側面９ｂが沿う状態で光導電アンテナ素子１７が半球状レンズ８の平面部８ｂに接触するように凹部４に配置される。このとき、配線基板９の後面（すなわち、基板１１の後面１１ｂ）がベース２の後面２ｂから若干突出した状態となる。

続いて、図７（ｂ）に示されるように、カバー２５がネジ２６によってベース２の後面２ｂに取り付けられて、配線基板９、光導電アンテナ素子１７及び半球状レンズ８が緩衝部材７に対して押圧される。これにより、光導電アンテナ素子１７と半球状レンズ８の平面部８ｂとが確実に密着すると共に、電気信号入出力用ポート２３の電気信号入出力用ピン２４と配線基板９の信号配線１４とが確実に接触し、ベース２と配線基板９の接地配線１５とが確実に接触した状態となる。

以上説明したように、テラヘルツアンテナモジュール１では、光導電アンテナ素子１７が配線基板９に固定され、配線基板９の信号配線１４を介して電気信号入出力用ポート２３の電気信号入出力用ピン２４と、また、配線基板９の接地配線１５を介してベース２と電気的に接続されている。また、緩衝部材７、半球状レンズ８、光導電アンテナ素子１７及び配線基板９がベース２の開口６側からこの順序でベース２の凹部３に配置され、ベース２へのカバー２５の取付けによって、配線基板９、光導電アンテナ素子１７及び半球状レンズ８が緩衝部材７に対して押圧されている。更に、半球状レンズ８の光軸ＯＡが光導電アンテナ素子１７の光導電アンテナ部２２を通るように、凹部４によって配線基板９が位置決めされ、緩衝部材７によって半球状レンズ８が位置決めされている。これらにより、単純な構造でありながら、配線基板９の信号配線１４を介して光導電アンテナ素子１７に対する電気信号の伝送を実現することができる。また、単純な構造でありながら、半球状レンズ８の光軸ＯＡ方向、及び光軸ＯＡ方向と直交する方向において、半球状レンズ８と光導電アンテナ素子１７とを位置決めすることができる。

また、光導電アンテナ素子１７と半球状レンズ８の平面部８ｂとの間にシリコングリース等を介在させる必要がないため、シリコングリース等によってテラヘルツ波の特定の周波数成分が吸収されるような事態を防止することができる。

また、上述したようにテラヘルツアンテナモジュール１の構造が単純であることから、テラヘルツアンテナモジュール１を極めて簡単に組み立てることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

図８〜１１は、本発明に係るテラヘルツアンテナモジュールの他の実施形態を示したものである。図８〜１１に示されるテラヘルツアンテナモジュール１では、配線基板９において信号配線１４が基板１１に設けられたスルーホール１６を介して基板１１の前面１１ａから基板１１の後面１１ｂに引き出されている。この場合には、組み立てる際に、電気信号入出力用ポート２３の電気信号入出力用ピン２４とベース２の後面２ｂとの隙間に、基板１１を滑り込ませるように配置する。その後、電気信号入出力用ポート２３の電気信号入出力用ピン２４と、配線基板９において基板１１の後面１１ｂに引き出された信号配線１４とを半田等によって電気的に接続する。このとき、基板１１の後面１１ｂに信号配線１４が引き出されているため、配線基板９の信号配線１４に対して極めてアクセスし易く、電気信号入出力用ピン２４と信号配線１４との電気的な接続を確実且つ容易に達成することができる。

また、図８に示されるように、カバー２５が金属からなる場合には、電気信号入出力用ポート２３及び配線基板９の光通過孔１２を回避して覆わないように切欠き２５ａが形成されている。このとき、カバー２５がセラミックやプラスチック等の絶縁体からなる場合には、図１に示されるように、光通過孔２７を設けるだけでもよい。或いは、カバー２５が金属からなる場合であっても、カバー２５の前面に絶縁膜を形成するなどの絶縁処理を施せば、切欠き２５ａに換えて光通過孔２７を設けるだけでよい。

また、例えば可視乃至赤外光（所定の波長の光）を励起光として光導電アンテナ素子１７の光導電アンテナ部２２に照射するために、配線基板９の基板１１が、ガラスや石英等、可視乃至赤外光を透過させる材料からなっていてもよい。この場合、光通過孔１２や光透過部材１３が不要となるため、配線基板９の構造を単純化することができると共に、その厚さが自由に設計できるなど、設計の自由度が増すという利点がある。

本発明に係るテラヘルツアンテナモジュールの一実施形態の背面図である。 図１に示されたII−II線に沿っての断面図である。 図１に示されたテラヘルツアンテナモジュールの配線基板の正面図である。 図１に示されたテラヘルツアンテナモジュールの光導電アンテナ素子の背面図である。 図１に示されたテラヘルツアンテナモジュールの、光導電アンテナ素子が取り付けられた状態での配線基板の正面図である。 図１に示されたテラヘルツアンテナモジュールの組立方法を説明するための断面図である。 図１に示されたテラヘルツアンテナモジュールの組立方法を説明するための断面図である。 本発明に係るテラヘルツアンテナモジュールの他の実施形態の背面図である。 図８に示されたIX−IX線に沿っての断面図である。 図８に示されたテラヘルツアンテナモジュールの配線基板の正面図（ａ）及び背面図（ｂ）である。 図８に示されたテラヘルツアンテナモジュールの、光導電アンテナ素子が取り付けられた状態での配線基板の正面図である。

符号の説明

１…テラヘルツアンテナモジュール、２…ベース、３…凹部、４…凹部（第２の部分）、５…凹部（第１の部分）、６…開口、７…緩衝部材、８…半球状レンズ、８ａ…球面部、８ｂ…平面部、９…配線基板、１１…基板、１２…光通過孔、１３…光透過部材、１４…信号配線、１５…接地配線、１６…スルーホール、１７…光導電アンテナ素子、１８…半絶縁性ＧａＡｓ基板、１９…ＧａＡｓ層、２１…オーミック電極、２２…光導電アンテナ部、２３…電気信号入出力用ポート、２４…電気信号入出力用ピン、２５…カバー、２６…ネジ、２７…光通過孔。

Claims (6)

1. テラヘルツ波を発生又は検出するためのテラヘルツアンテナモジュールであって、
   凹部、及び前記凹部の底面に形成された開口を有し、電気信号入出力用ピンを有する電気信号入出力ポートが取り付けられたベースと、
   前記凹部の内面に接触した状態で前記開口を包囲するように前記凹部に配置された緩衝部材と、
   前記緩衝部材に球面部が接触した状態で前記凹部に配置され、前記テラヘルツ波を透過させる半球状レンズと、
   所定の波長の光を通過させる基板、及び電気信号を伝送する信号配線を有し、前記凹部に配置された配線基板と、
   前記半球状レンズの平面部に接触した状態で前記所定の波長の光が光導電アンテナ部に照射されるように前記配線基板に固定され、前記信号配線と電気的に接続された光導電アンテナ素子と、
   前記ベースに取り付けられ、前記配線基板、前記光導電アンテナ素子及び前記半球状レンズを前記緩衝部材に対して押圧すると共に、前記配線基板を前記電気入出力用ピンに対して押圧するカバーと、を備え、
   前記凹部は、前記開口側の第１の部分及び前記カバー側の第２の部分を含み、前記第２の部分は、前記開口側から見て前記第１の部分よりも拡幅されており、
   前記第１の部分には、少なくとも前記緩衝部材が配置され、前記第２の部分には、少なくとも前記配線基板が、前記第２の部分の側面に前記配線基板の側面が沿う状態で配置されており、
   前記半球状レンズの光軸が前記光導電アンテナ部を通るように、前記第２の部分によって前記配線基板が位置決めされ、前記緩衝部材によって前記半球状レンズが位置決めされていることを特徴とするテラヘルツアンテナモジュール。
2. 前記緩衝部材は、前記球面部の直径よりも小さい内径を有する円環状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツアンテナモジュール。
3. 前記信号配線は、前記基板において前記光導電アンテナ素子側の面からその反対側の面にスルーホールを介して引き出されていることを特徴とする請求項１又は２記載のテラヘルツアンテナモジュール。
4. 前記基板は、前記所定の波長の光が通過する光通過孔を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のテラヘルツアンテナモジュール。
5. 前記基板は、前記所定の波長の光を透過させる材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のテラヘルツアンテナモジュール。
6. 前記カバーは、板バネとして前記配線基板、前記光導電アンテナ素子及び前記半球状レンズを前記緩衝部材に対して押圧することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のテラヘルツアンテナモジュール。

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