JP4775253B2 - 電磁波変調器 - Google Patents
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Description
本発明は、波長が１×１０-2〜１×１０-5ｍの電磁波の伝播状態を変化させる電磁波変調器に関し、特に、詳しくは波長１０-3〜１０-4ｍ程度のいわゆるミリ波からテラヘルツ波領域の電磁波を変調する電磁波変調器に関するものである。
近年ミリ波からテラヘルツ波領域の電磁波に関する技術が注目され、特にそれらの電磁波を用いたイメージング、分光分析等が応用として期待されている。
イメージング、分光分析等の応用を実用化するためには、当該波長域の電磁波の発生、検出技術に加えて、電磁波の強度を変調あるいはパルスチョッピングすることが要素技術として不可欠である。
特にイメージング、分光分析への応用のためには、被変調電磁波をパルスチョッピングすることが求められ、望ましくはパルス立上りおよび立下り時間（以降、変調動作時間と呼ぶ）を約１０-6ｓｅｃ．以下の時間スケールで任意に変えられることが求められる。さらに望ましくは、変調動作時間の最短時間にして１０-9ｓｅｃ．程度を達成することが求められる。
イメージング、分光分析等の応用を実用化するためには、当該波長域の電磁波の発生、検出技術に加えて、電磁波の強度を変調あるいはパルスチョッピングすることが要素技術として不可欠である。
特にイメージング、分光分析への応用のためには、被変調電磁波をパルスチョッピングすることが求められ、望ましくはパルス立上りおよび立下り時間（以降、変調動作時間と呼ぶ）を約１０-6ｓｅｃ．以下の時間スケールで任意に変えられることが求められる。さらに望ましくは、変調動作時間の最短時間にして１０-9ｓｅｃ．程度を達成することが求められる。
電磁波をおよそ１０-6ｓｅｃ．以下の時間スケールで変調する方法として、ポッケルスセル、カーセル等の電気光学素子や音響光学変調素子を用いる方法が一般的であるが、ミリ波からテラヘルツ波領域の電磁波に対して動作するものは存在しない。
１０-9ｓｅｃ．の変調動作時間の強度変調あるいはパルスチョッピングを行う手法としては、バンドギャップが被変調電磁波のフォトンエネルギーよりも大きい半導体基板に電磁波を透過または反射させ、半導体基板上にバンドギャップよりフォトンエネルギーの大きい励起光を入射することにより半導体基板内に自由キャリア（電子および正孔）を生成し、自由キャリア密度を変化させることで複素屈折率を変化させ、電磁波の透過率または反射率を変化させる方法が知られている。
一般に励起光源としては変調に十分な照度を得やすいパルスレーザ、特に１０-8ｓｅｃ．以下のパルス幅であるＱスイッチＹＡＧレーザが用いられている。
例えば非特許文献１には、上述したＱスイッチＹＡＧレーザによりＳｉ基板を透過させた波長２１４．５８μｍの電磁波を変調し、パルスチョッピングする技術が記載されている。
また、特許文献１には、シリコンウエハの表面層の評価する方法が記載され、電磁波を照射した半導体基板にパルス励起光を入射し、電磁波の変調を測定することにより半導体基板の不純物濃度等の物理量を測定することが開示されている。
１０-9ｓｅｃ．の変調動作時間の強度変調あるいはパルスチョッピングを行う手法としては、バンドギャップが被変調電磁波のフォトンエネルギーよりも大きい半導体基板に電磁波を透過または反射させ、半導体基板上にバンドギャップよりフォトンエネルギーの大きい励起光を入射することにより半導体基板内に自由キャリア（電子および正孔）を生成し、自由キャリア密度を変化させることで複素屈折率を変化させ、電磁波の透過率または反射率を変化させる方法が知られている。
一般に励起光源としては変調に十分な照度を得やすいパルスレーザ、特に１０-8ｓｅｃ．以下のパルス幅であるＱスイッチＹＡＧレーザが用いられている。
例えば非特許文献１には、上述したＱスイッチＹＡＧレーザによりＳｉ基板を透過させた波長２１４．５８μｍの電磁波を変調し、パルスチョッピングする技術が記載されている。
また、特許文献１には、シリコンウエハの表面層の評価する方法が記載され、電磁波を照射した半導体基板にパルス励起光を入射し、電磁波の変調を測定することにより半導体基板の不純物濃度等の物理量を測定することが開示されている。
図１３に励起光源としてパルスレーザを用いた従来の電磁波変調器の一例を示す。
電磁波源１３から出力される被変調電磁波１０ａは、入射側軸外し放物面ミラー１１を介して第１のシリコン基板（Ｓｉ基板）７−１に入射して、励起光であるパルスレーザ光２５により変調され、その反射電磁波１０ｂは第２のＳｉ基板７−２に入射する。第２のＳｉ基板７−２に入射した電磁波１０ｂは、上記と同様、励起光であるパルスレーザ光２６により変調され、その透過電磁波１０ｄは、出射側軸外し放物面ミラー１２を介して電磁波の照射対象１４に出力される。
電磁波源１３から出力される被変調電磁波１０ａは、入射側軸外し放物面ミラー１１を介して第１のシリコン基板（Ｓｉ基板）７−１に入射して、励起光であるパルスレーザ光２５により変調され、その反射電磁波１０ｂは第２のＳｉ基板７−２に入射する。第２のＳｉ基板７−２に入射した電磁波１０ｂは、上記と同様、励起光であるパルスレーザ光２６により変調され、その透過電磁波１０ｄは、出射側軸外し放物面ミラー１２を介して電磁波の照射対象１４に出力される。
励起光にはＱスイッチＹＡＧレーザ発信器２１（波長１０６４ｎｍ，パルス幅１０-8ｓｅｃ．）を用いている。
ＹＡＧレーザ発信器２１のパルスレーザ光２２はビームスプリッタ２３で２つに分けられ、一方のパルスレーザ光は、ミラーＭ１，Ｍ２を介して１枚目のＳｉ基板７−１に照射され、もう一方は光学遅延装置２４（遅延時間ｔｄ）およびミラーＭ３を介して２枚目のＳｉ基板７−２に照射される。なお、Ｓｉ基板７−１，７−２上の照度は例えば、約５０ｍＪ／ｃｍ2 である。
光学遅延装置２４は例えば同図に示すように入射したパルスレーザ光を複数のミラーＭ１１〜Ｍ１ｎで反射させて光路長をかせぎ、遅延させるものであり、図１４（ａ）に示すように、第１のＳｉ基板７−１に入射するパルス状のレーザ光２５に対して、第２のＳｉ基板７−２に入射するパルス状のレーザ光２６を遅延時間ｔｄだけ遅延させる。
ＹＡＧレーザ発信器２１のパルスレーザ光２２はビームスプリッタ２３で２つに分けられ、一方のパルスレーザ光は、ミラーＭ１，Ｍ２を介して１枚目のＳｉ基板７−１に照射され、もう一方は光学遅延装置２４（遅延時間ｔｄ）およびミラーＭ３を介して２枚目のＳｉ基板７−２に照射される。なお、Ｓｉ基板７−１，７−２上の照度は例えば、約５０ｍＪ／ｃｍ2 である。
光学遅延装置２４は例えば同図に示すように入射したパルスレーザ光を複数のミラーＭ１１〜Ｍ１ｎで反射させて光路長をかせぎ、遅延させるものであり、図１４（ａ）に示すように、第１のＳｉ基板７−１に入射するパルス状のレーザ光２５に対して、第２のＳｉ基板７−２に入射するパルス状のレーザ光２６を遅延時間ｔｄだけ遅延させる。
前述したように半導体基板に励起光を照射することにより、励起光はその波長に応じた光侵入長だけ半導体基板に侵入し吸収され、自由キャリアを励起する。
被変調電磁波に対する半導体基板の反射率（Ｒ）および消衰係数（ｋ）は上記励起される自由キャリア密度に強く依存し、自由キャリア密度が高いほど反射率（Ｒ）は１に近づき、消衰係数（ｋ）は大きくなる。
したがって、第１のＳｉ基板７−１に励起光であるパルスレーザ光２５が入射すると、第１のＳｉ基板７−１に入射している被変調電磁波１０ａは、第１のＳｉ基板７−１で反射し、反射した電磁波１０ｂは、第２のＳｉ基板７−２に入射する。
このとき、第２のＳｉ基板７−２にパルスレーザ光２６が照射されていないと、第２のＳｉ基板７−２に入射した電磁波は、Ｓｉ基板７−２を透過し、この透過電磁波は、出射側軸外し放物面ミラー１２を介して電磁波の照射対象１４に出力される。
すなわち、図１４（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板７−１にパルスレーザ光２５が入射すると、照射対象１４へ出力される電磁波は増大する。
被変調電磁波に対する半導体基板の反射率（Ｒ）および消衰係数（ｋ）は上記励起される自由キャリア密度に強く依存し、自由キャリア密度が高いほど反射率（Ｒ）は１に近づき、消衰係数（ｋ）は大きくなる。
したがって、第１のＳｉ基板７−１に励起光であるパルスレーザ光２５が入射すると、第１のＳｉ基板７−１に入射している被変調電磁波１０ａは、第１のＳｉ基板７−１で反射し、反射した電磁波１０ｂは、第２のＳｉ基板７−２に入射する。
このとき、第２のＳｉ基板７−２にパルスレーザ光２６が照射されていないと、第２のＳｉ基板７−２に入射した電磁波は、Ｓｉ基板７−２を透過し、この透過電磁波は、出射側軸外し放物面ミラー１２を介して電磁波の照射対象１４に出力される。
すなわち、図１４（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板７−１にパルスレーザ光２５が入射すると、照射対象１４へ出力される電磁波は増大する。
ついで、遅延時間Ｔｄ経過後、第２のＳｉ基板７−２にパルスレーザ光２６が入射すると、第２のＳｉ基板７−２の反射率が増大する。このため、第１のＳｉ基板７−１で反射して第２のＳｉ基板に入射した電磁波１０ｂは第２のＳｉ基板７−２で反射され、照射対象１４へ出力されなくなる。
すなわち、図１４（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板７−２にパルスレーザ光２６が入射すると、照射対象１４へ出力される電磁波は減衰する。
なお、励起光により励起された自由キャリアは、励起光の照射が停止しても直ちに消滅せず、励起されたキャリアの密度は拡散および再結合によって漸減し、それに伴い反射率も漸減する。励起光照射後、反射率が励起前の値まで戻るまでの時間は主に励起キャリアの再結合緩和時間に依存し、典型的には１００μｓのオーダーである。
したがって、第２のＳｉ基板７−２を用いずに、第１のＳｉ基板７−１のみを用いて電磁波を変調する場合、出力される電磁波の幅（持続時間）は例えば上記１００μｓのオーダーとなる。
すなわち、図１４（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板７−２にパルスレーザ光２６が入射すると、照射対象１４へ出力される電磁波は減衰する。
なお、励起光により励起された自由キャリアは、励起光の照射が停止しても直ちに消滅せず、励起されたキャリアの密度は拡散および再結合によって漸減し、それに伴い反射率も漸減する。励起光照射後、反射率が励起前の値まで戻るまでの時間は主に励起キャリアの再結合緩和時間に依存し、典型的には１００μｓのオーダーである。
したがって、第２のＳｉ基板７−２を用いずに、第１のＳｉ基板７−１のみを用いて電磁波を変調する場合、出力される電磁波の幅（持続時間）は例えば上記１００μｓのオーダーとなる。
以上のように、被変調電磁波１０ａは、第１のＳｉ基板７−１と第２のＳｉ基板７−２へ照射される励起光２５，２６により変調され、照射対象１４へは、立ち上がり、立下り特性が、第１のＳｉ基板７−１での変調によるパルス立上り変調動作時間と、第２のＳｉ基板７−２での変調によるパルス立下り変調動作時間とで定まり、励起光２５，２６の遅延時間ｔｄに応じた幅の電磁波が出力される。
なお、この電磁波の立上りおよび立下りの変調動作時間はほぼレーザパルス幅で定まる１０-8ｓｅｃ．であり、Ｓｉ基板の透過率が９０％から１０％まで変化する時間で定義すると、１ｎｓ〜１０ｎｓである。
なお、この電磁波の立上りおよび立下りの変調動作時間はほぼレーザパルス幅で定まる１０-8ｓｅｃ．であり、Ｓｉ基板の透過率が９０％から１０％まで変化する時間で定義すると、１ｎｓ〜１０ｎｓである。
図１３に示した装置は、被変調電磁波の立上りおよび立下りの変調動作時間が、上述したように、ほぼレーザパルス幅である１０-8ｓｅｃ．で定まり、この値を任意に変えることはできない。
また、ＱスイッチＹＡＧレーザは大型で高価であるうえに、光学遅延の長さは例えばｔｄ＝５×１０-8ｓｅｃ．の場合１５ｍとなり、アライメントなどの取扱いが容易ではないという欠点がある。
ビームスプリッタと光学遅延を用いずに、ＱスイッチＹＡＧレーザを２台独立に駆動して２枚の基板に照射することも可能であると考えられるが、システムとしてはさらに大型で高価になる。
特開平６−９７２４９号公報
莅戸 立夫、外２名、「光照射半導体基板を用いたサブミリ波変調法」、電子情報通信学会論文誌、Ｃ−１、Ｖｏｌ．Ｊ８０−Ｃ−１、Ｎｏ．６、ｐｐ．２５９−２６６、１９９７年６月
また、ＱスイッチＹＡＧレーザは大型で高価であるうえに、光学遅延の長さは例えばｔｄ＝５×１０-8ｓｅｃ．の場合１５ｍとなり、アライメントなどの取扱いが容易ではないという欠点がある。
ビームスプリッタと光学遅延を用いずに、ＱスイッチＹＡＧレーザを２台独立に駆動して２枚の基板に照射することも可能であると考えられるが、システムとしてはさらに大型で高価になる。
上述したように、半導体基板上に励起光を入射することにより電磁波の透過率または反射率を変化させる方法が知られており、この励起光源として変調に十分な照度を得やすいパルスレーザを用いられる。
しかしながら、パルスレーザによる動作では１０-8ｓｅｃ．以下の変調動作時間は容易に得られるが、約１０-6ｓｅｃ．以下の時間スケールで任意に変えることはできないという問題があった。
さらに、ＱスイッチＹＡＧレーザをはじめとするパルスレーザは、光源や検出器などの他の構成機器に比して大型で高価であり、これらを用いたシステムの実用化を阻む一因となっている。一方、任意の光パルス波形を得られるＬＥＤ等の固体発光素子では、十分な変調を達成するための照度を発生できない。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、半導体基板に励起光を照射して、波長が１×１０-2〜１×１０-5ｍの電磁波に対する反射率もしくは透過率を制御することにより上記電磁波を変調する電磁変調器において、最短の立ち上がり／立下り時間がパルスレーザを用いた場合と同等であって、変調動作時間を１０-6〜１０-9ｓｅｃ．の範囲で任意に変えることができ、かつ、変調された電磁波の波形の立ち上がりおよび立下りの波形をそれぞれ自由に設定することができる、従来の励起光源であるパルスレーザを用いたものよりも遥かに小型で安価な電磁波変調器を提供することを目的とする。
しかしながら、パルスレーザによる動作では１０-8ｓｅｃ．以下の変調動作時間は容易に得られるが、約１０-6ｓｅｃ．以下の時間スケールで任意に変えることはできないという問題があった。
さらに、ＱスイッチＹＡＧレーザをはじめとするパルスレーザは、光源や検出器などの他の構成機器に比して大型で高価であり、これらを用いたシステムの実用化を阻む一因となっている。一方、任意の光パルス波形を得られるＬＥＤ等の固体発光素子では、十分な変調を達成するための照度を発生できない。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、半導体基板に励起光を照射して、波長が１×１０-2〜１×１０-5ｍの電磁波に対する反射率もしくは透過率を制御することにより上記電磁波を変調する電磁変調器において、最短の立ち上がり／立下り時間がパルスレーザを用いた場合と同等であって、変調動作時間を１０-6〜１０-9ｓｅｃ．の範囲で任意に変えることができ、かつ、変調された電磁波の波形の立ち上がりおよび立下りの波形をそれぞれ自由に設定することができる、従来の励起光源であるパルスレーザを用いたものよりも遥かに小型で安価な電磁波変調器を提供することを目的とする。
被変調電磁波に対する半導体基板の反射率（Ｒ）および消衰係数（ｋ）は励起される自由キャリア密度に強く依存し、自由キャリア密度が高いほど反射率（Ｒ）は１に近づき、消衰係数（ｋ）は大きくなる。
例として、図１０に波長３×１０-4ｍの電磁波に対するシリコン（Ｓｉ）の反射率の自由キャリア密度依存性を示す。同図の横軸は自由キャリア密度、縦軸は反射率（Ｒ）である。
同図から明らかなように、およそ、６×１０21ｍ-3以上の自由キャリア密度が達成できれば反射率（Ｒ）はほぼ１となり飽和することがわかる。
励起光はその波長に応じた光侵入長だけ半導体基板に侵入し吸収され、自由キャリアを励起する。励起された自由キャリアは半導体基板内を拡散する。半導体基板に吸収される励起光量とその時間波形、光侵入長および拡散の度合いによって達成される自由キャリア密度が決まる。
例として、図１０に波長３×１０-4ｍの電磁波に対するシリコン（Ｓｉ）の反射率の自由キャリア密度依存性を示す。同図の横軸は自由キャリア密度、縦軸は反射率（Ｒ）である。
同図から明らかなように、およそ、６×１０21ｍ-3以上の自由キャリア密度が達成できれば反射率（Ｒ）はほぼ１となり飽和することがわかる。
励起光はその波長に応じた光侵入長だけ半導体基板に侵入し吸収され、自由キャリアを励起する。励起された自由キャリアは半導体基板内を拡散する。半導体基板に吸収される励起光量とその時間波形、光侵入長および拡散の度合いによって達成される自由キャリア密度が決まる。
図１１はシリコン（Ｓｉ）に対する光侵入長の波長特性を示している。横軸は波長、縦軸は光侵入長である。
光侵入長は波長２００−３００ｎｍで最も小さく（約１０ｎｍ）なるため、同じ照度で比較した場合、波長２００−３００ｎｍ近傍の光による励起では他の波長域の光による励起に比べ、表面極近傍で非常に高いキャリア密度を得ることができる。
パルス光を励起光として入射する場合、その照度が非常に大きければ、非常に高い自由キャリア密度を達成することが可能である。
光侵入長は波長２００−３００ｎｍで最も小さく（約１０ｎｍ）なるため、同じ照度で比較した場合、波長２００−３００ｎｍ近傍の光による励起では他の波長域の光による励起に比べ、表面極近傍で非常に高いキャリア密度を得ることができる。
パルス光を励起光として入射する場合、その照度が非常に大きければ、非常に高い自由キャリア密度を達成することが可能である。
図１２（ａ）にフラッシュランプから放射されるパルス光の光照度を示し、図１２（ｂ）にフラッシュランプのパルス光を励起光としたときの、シリコン（Ｓｉ）基板の反射率（Ｒ）の立ち上がり特性を示す。同図（ｂ）は、同図（ａ）のＡ，Ｂ，Ｃの照度のパルス光を励起光としたときのＡ，Ｂ，Ｃそれぞれの立ち上がり特性を示している。
なお、フラッシュランプのパルス光のパルス幅は、図１２（ａ）に示すように概ね１０μｓ〜１０００μｓであり、これに対し、シリコン（Ｓｉ）基板の反射率（Ｒ）の立ち上がり時間は、図１２（ｂ）に示すように概ね１ｎｓ〜１００ｎｓである。
フラッシュランプの照度は非常に大きいので、図１２に示すように、光パルスの立上り時間よりも遥かに早く被変調電磁波の反射率が飽和（≒１）に達し、パルス光の立上り時間よりも遥かに短い変調動作時間を得られる。
なお、フラッシュランプのパルス光のパルス幅は、図１２（ａ）に示すように概ね１０μｓ〜１０００μｓであり、これに対し、シリコン（Ｓｉ）基板の反射率（Ｒ）の立ち上がり時間は、図１２（ｂ）に示すように概ね１ｎｓ〜１００ｎｓである。
フラッシュランプの照度は非常に大きいので、図１２に示すように、光パルスの立上り時間よりも遥かに早く被変調電磁波の反射率が飽和（≒１）に達し、パルス光の立上り時間よりも遥かに短い変調動作時間を得られる。
また、図１２から分かるように、励起光の照度に応じてシリコン（Ｓｉ）基板の反射率（Ｒ）の立ち上がり時間は変化する。
したがって、例えば減光フィルタ等により励起光照度を調整すれば、変調動作時間を任意に調整することができる。励起された自由キャリア密度は励起光入射終了後、拡散および励起キャリア（電子および正孔）同士の再結合により漸減する。それに従って反射率もまた励起光入射終了後漸減する。再結合までの平均時間（再結合緩和時間）が長いほど、反射率を飽和させるための励起光照度は小さくてすみ、励起光入射終了後の反射率の減少は遅くなる。
したがって、例えば減光フィルタ等により励起光照度を調整すれば、変調動作時間を任意に調整することができる。励起された自由キャリア密度は励起光入射終了後、拡散および励起キャリア（電子および正孔）同士の再結合により漸減する。それに従って反射率もまた励起光入射終了後漸減する。再結合までの平均時間（再結合緩和時間）が長いほど、反射率を飽和させるための励起光照度は小さくてすみ、励起光入射終了後の反射率の減少は遅くなる。
本発明は以上の観点に立って成されたものであり、半導体基板に励起光を照射する励起光源としてフラッシュランプを用い、フラッシュランプからのパルス放射光を集光手段により半導体基板に入射する。
これにより、フラッシュランプパルス立上りよりも遥かに短い変調動作時間を達成し、かつ励起光の照度を変えることにより、変調動作時間を任意に変えることができる。
しかも従来のパルスレーザを励起光源として用いた電磁波変調器よりも遥かに小型で安価な構成の電磁波変調器を提供できる。
ここで、前記した本発明の課題である、変調された電磁波の最短の立ち上がり／立下り時間がパルスレーザを用いた場合と同等であって、変調動作時間を１０-6〜１０-9ｓｅｃ．の範囲で変えることが可能な励起光を照射するフラッシュランプとしては、波長２００−３００ｎｍの放射を高効率で得られる８ｋＡ／ｃｍ2 以上の高電流密度で駆動され、ランプパルス幅が半値幅にして１ｍｓ以下のものが望ましい。
上記フラッシュランプを用いることで、半導体基板上でのパルス照度を１０ｍＪ／ｃｍ2 以上とすることができ、上記立ち上がり／立下り時間を実現することができる。
また、上記フラッシュランプを励起光源とし、励起光照度を調整すれば、変調された電磁波の立ち上がりおよび立下りの時間を、それぞれ自由に変更することもできる。
なお、半導体基板はＳｉ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，Ｇｅ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＳｂ，ＣｄＳ，ＣｄＴｅ等が使用できるが、特に再結合緩和時間が長いＳｉが適している。また半導体基板への励起光の吸収効率を高めるために、半導体表面上に励起光の反射を低減する手段を備えていることがさらに望ましい。
これにより、フラッシュランプパルス立上りよりも遥かに短い変調動作時間を達成し、かつ励起光の照度を変えることにより、変調動作時間を任意に変えることができる。
しかも従来のパルスレーザを励起光源として用いた電磁波変調器よりも遥かに小型で安価な構成の電磁波変調器を提供できる。
ここで、前記した本発明の課題である、変調された電磁波の最短の立ち上がり／立下り時間がパルスレーザを用いた場合と同等であって、変調動作時間を１０-6〜１０-9ｓｅｃ．の範囲で変えることが可能な励起光を照射するフラッシュランプとしては、波長２００−３００ｎｍの放射を高効率で得られる８ｋＡ／ｃｍ2 以上の高電流密度で駆動され、ランプパルス幅が半値幅にして１ｍｓ以下のものが望ましい。
上記フラッシュランプを用いることで、半導体基板上でのパルス照度を１０ｍＪ／ｃｍ2 以上とすることができ、上記立ち上がり／立下り時間を実現することができる。
また、上記フラッシュランプを励起光源とし、励起光照度を調整すれば、変調された電磁波の立ち上がりおよび立下りの時間を、それぞれ自由に変更することもできる。
なお、半導体基板はＳｉ，ＳｉＣ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，Ｇｅ，ＩｎＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＳｂ，ＣｄＳ，ＣｄＴｅ等が使用できるが、特に再結合緩和時間が長いＳｉが適している。また半導体基板への励起光の吸収効率を高めるために、半導体表面上に励起光の反射を低減する手段を備えていることがさらに望ましい。
以上に基づき、本発明は次のようにして前記課題を解決する。
（１）半導体基板に励起光を照射して、波長が１×１０-2〜１×１０-5ｍの電磁波に対する該半導体基板の反射率もしくは透過率を制御することにより上記電磁波を変調する電磁変調器であって、前記励起光を照射する励起光源としてフラッシュランプを用い、励起光源であるフラッシュランプを以下のように構成する。
コンデンサからフラッシュランプの一方の極に至る伝送経路及び両極の電極棒と、フラッシュランプの他方の極からコンデンサに至る略円筒状の帰還伝送路とが、略同軸構造を成し、上記帰還伝送路は、フラッシュランプの電極間の外側に相当する部分の少なくとも一部が、線状または網目状の導体、または透光性導体で構成される。そして、上記フラッシュランプからの放射光を半導体基板に集光照射して励起光とする。
（２）上記（１）において、上記帰還伝送路のフラッシュランプの電極間の外側に相当する部分の少なくとも一部を、電極間軸にほぼ平行で該電極間軸に対称に配置された複数の線状の導体で構成する。
（３）上記（１）〜（２）において、半導体基板の少なくとも一部を、半導体基板の励起光に対する屈折率よりも小さな屈折率で、かつ励起光の少なくとも一部を透過する物質の薄膜で被覆し、励起光反射率を低減する。
（４）上記（１）〜（３）において、半導体基板の少なくとも一部に、励起光波長に相当する大きさの凹凸を設け、励起光反射率を低減する。
（５）上記（１）〜（４）において、半導体基板をシリコンとする。
（１）半導体基板に励起光を照射して、波長が１×１０-2〜１×１０-5ｍの電磁波に対する該半導体基板の反射率もしくは透過率を制御することにより上記電磁波を変調する電磁変調器であって、前記励起光を照射する励起光源としてフラッシュランプを用い、励起光源であるフラッシュランプを以下のように構成する。
コンデンサからフラッシュランプの一方の極に至る伝送経路及び両極の電極棒と、フラッシュランプの他方の極からコンデンサに至る略円筒状の帰還伝送路とが、略同軸構造を成し、上記帰還伝送路は、フラッシュランプの電極間の外側に相当する部分の少なくとも一部が、線状または網目状の導体、または透光性導体で構成される。そして、上記フラッシュランプからの放射光を半導体基板に集光照射して励起光とする。
（２）上記（１）において、上記帰還伝送路のフラッシュランプの電極間の外側に相当する部分の少なくとも一部を、電極間軸にほぼ平行で該電極間軸に対称に配置された複数の線状の導体で構成する。
（３）上記（１）〜（２）において、半導体基板の少なくとも一部を、半導体基板の励起光に対する屈折率よりも小さな屈折率で、かつ励起光の少なくとも一部を透過する物質の薄膜で被覆し、励起光反射率を低減する。
（４）上記（１）〜（３）において、半導体基板の少なくとも一部に、励起光波長に相当する大きさの凹凸を設け、励起光反射率を低減する。
（５）上記（１）〜（４）において、半導体基板をシリコンとする。
本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）半導体基板に励起光を照射して、半導体基板の反射率もしくは透過率を制御することにより電磁波を変調する電磁変調器において励起光を照射する励起光源としてフラッシュランプを用いたので、パルスレーザを用いたものよりも遥かに小型で安価とすることができる。
（２）フラッシュランプの励起光照度を調整することにより、変調動作時間を任意に調整することができる。また、変調された電磁波の立ち上がりおよび立下りの時間を、それぞれ自由に変更することもできる。
（３）コンデンサからフラッシュランプの一方の極に至る伝送経路及び両極の電極棒と、フラッシュランプの他方の極からコンデンサに至る帰還伝送路とが同軸構造を成し、また、上記帰還伝送路のフラッシュランプの電極間の外側に相当する部分の少なくとも一部を、線状または網目状の導体、または透光性導体で構成することにより、伝送経路インダクタンスを極端に小さくすることができ、非常に高い電流密度を得ることができる。
また、インダクタンスをほとんど増加させることなく、放射される光のほとんどを集光素子に導くことができ、結果として半導体基板への光侵入長が小さい波長２００−３００ｎｍの光を多く含む極めて高照度の照射が可能となる。
さらに、フラッシュランプの極間を短くすることができ、アーク長を短くすることができるので、楕円集光ミラーなどを用いて、フラッシュランプからの光を効率よく集光することができる。
（４）半導体基板の少なくとも一部を、半導体基板の励起光に対する屈折率よりも小さな屈折率で、かつ励起光の少なくとも一部を透過する物質の薄膜で被覆したり、半導体基板の少なくとも一部に、励起光波長に相当する大きさの凹凸を設けることにより、励起光反射率を低減することができ、照射された励起光が半導体基板に吸収される割合を増やすことができる。
（１）半導体基板に励起光を照射して、半導体基板の反射率もしくは透過率を制御することにより電磁波を変調する電磁変調器において励起光を照射する励起光源としてフラッシュランプを用いたので、パルスレーザを用いたものよりも遥かに小型で安価とすることができる。
（２）フラッシュランプの励起光照度を調整することにより、変調動作時間を任意に調整することができる。また、変調された電磁波の立ち上がりおよび立下りの時間を、それぞれ自由に変更することもできる。
（３）コンデンサからフラッシュランプの一方の極に至る伝送経路及び両極の電極棒と、フラッシュランプの他方の極からコンデンサに至る帰還伝送路とが同軸構造を成し、また、上記帰還伝送路のフラッシュランプの電極間の外側に相当する部分の少なくとも一部を、線状または網目状の導体、または透光性導体で構成することにより、伝送経路インダクタンスを極端に小さくすることができ、非常に高い電流密度を得ることができる。
また、インダクタンスをほとんど増加させることなく、放射される光のほとんどを集光素子に導くことができ、結果として半導体基板への光侵入長が小さい波長２００−３００ｎｍの光を多く含む極めて高照度の照射が可能となる。
さらに、フラッシュランプの極間を短くすることができ、アーク長を短くすることができるので、楕円集光ミラーなどを用いて、フラッシュランプからの光を効率よく集光することができる。
（４）半導体基板の少なくとも一部を、半導体基板の励起光に対する屈折率よりも小さな屈折率で、かつ励起光の少なくとも一部を透過する物質の薄膜で被覆したり、半導体基板の少なくとも一部に、励起光波長に相当する大きさの凹凸を設けることにより、励起光反射率を低減することができ、照射された励起光が半導体基板に吸収される割合を増やすことができる。
図１に本発明の望ましい実施形態である電磁変調器の第１の実施例を示す。本実施例は、一枚の半導体基板を用い、この半導体基板にフラッシュランプから励起光を照射して、被変調電磁波を変調する場合を示す。
図１において、１は例えば棒状のフラッシュランプ、２はフラッシュランプの光を集光する樋状の集光ミラーであり、同図はフラッシュランプの長手方向の軸に垂直な平面できった断面図を示している。
図１に示すフラッシュランプ１は透光性材料からなるバルブ１ｅ内に放電ガスが封入され、且つ、該バルブ１ｅ内に、図示しない対向配置された一対の電極が設けられ、バルブ１ｅの外側にはトリガ線１ａが取り付けられている。
上記一対の電極は、給電ライン５を介してコンデンサＣに接続され、コンデンサＣには充電電源４が接続され、充電電源４には電圧制御手段４ａが設けられている。
図１において、１は例えば棒状のフラッシュランプ、２はフラッシュランプの光を集光する樋状の集光ミラーであり、同図はフラッシュランプの長手方向の軸に垂直な平面できった断面図を示している。
図１に示すフラッシュランプ１は透光性材料からなるバルブ１ｅ内に放電ガスが封入され、且つ、該バルブ１ｅ内に、図示しない対向配置された一対の電極が設けられ、バルブ１ｅの外側にはトリガ線１ａが取り付けられている。
上記一対の電極は、給電ライン５を介してコンデンサＣに接続され、コンデンサＣには充電電源４が接続され、充電電源４には電圧制御手段４ａが設けられている。
上記充電電源４からコンデンサＣに充電したのち、コンデンサＣに充電されたエネルギーを給電ライン５を介してフラッシュランプ１の図示しない電極に印加することにより電極間にアークが発生し、フラッシュランプ１０は点灯する。これにより、フラッシュランプ１からパルス光が放射される。
トリガ線１ａとトリガパルス発生器３はトリガパルス供給ライン３ａを介して接続されており、トリガ線１ａに高電圧パルスを印加することでフラッシュランプ１の放電を始動することができる。フラッシュランプ１からのパルス光は集光ミラー２で集光され、Ｓｉ基板７に照射される。
なお、前述したように、変調された電磁波の最短の立ち上がり／立下り時間がパルスレーザを用いた場合と同等であって、変調動作時間を１０-6〜１０-9ｓｅｃ．の範囲で変えることが可能な励起光を照射するためには、上記フラッシュランプとして、８ｋＡ／ｃｍ2 以上の高電流密度で駆動され、ランプパルス幅が半値幅にして１ｍｓ以下のものが望ましい。
トリガ線１ａとトリガパルス発生器３はトリガパルス供給ライン３ａを介して接続されており、トリガ線１ａに高電圧パルスを印加することでフラッシュランプ１の放電を始動することができる。フラッシュランプ１からのパルス光は集光ミラー２で集光され、Ｓｉ基板７に照射される。
なお、前述したように、変調された電磁波の最短の立ち上がり／立下り時間がパルスレーザを用いた場合と同等であって、変調動作時間を１０-6〜１０-9ｓｅｃ．の範囲で変えることが可能な励起光を照射するためには、上記フラッシュランプとして、８ｋＡ／ｃｍ2 以上の高電流密度で駆動され、ランプパルス幅が半値幅にして１ｍｓ以下のものが望ましい。
一方、電磁波源１３から放射される波長が、例えば１×１０- 3 〜１×１０- 4 ｍの被変調電磁波１０ａは軸外し放物面ミラー１１を介してＳｉ基板７に、フラッシュランプ光６と同じ側から入射する。
フラッシュランプ１からパルス光６を照射することにより、前述したようにＳｉ基板７の被変調電磁波に対する反射率は、ランプ光パルス立上りよりも早く１に達し飽和する。その結果、Ｓｉ基板で反射された電磁波の立上り変調動作時間は、ランプ光立上りよりも遥かに短くなる。
Ｓｉ基板７の被変調電磁波１０ａに対する反射率がほぼ１に達することで、Ｓｉ基板７に入射した被変調電磁波１０ａは、Ｓｉ基板７で反射し、この反射電磁波１０ｂは軸外し放物面ミラー１２を介して電磁波照射対象１４に出力される。
フラッシュランプ１からパルス光６を照射することにより、前述したようにＳｉ基板７の被変調電磁波に対する反射率は、ランプ光パルス立上りよりも早く１に達し飽和する。その結果、Ｓｉ基板で反射された電磁波の立上り変調動作時間は、ランプ光立上りよりも遥かに短くなる。
Ｓｉ基板７の被変調電磁波１０ａに対する反射率がほぼ１に達することで、Ｓｉ基板７に入射した被変調電磁波１０ａは、Ｓｉ基板７で反射し、この反射電磁波１０ｂは軸外し放物面ミラー１２を介して電磁波照射対象１４に出力される。
図２（ａ）にフラッシュランプ１から放射されるパルス光の強度を示し、図２（ｂ）に電磁波照射対象１４に出力される出力電磁波強度を示す。
なお、前述したようにフラッシュランプパルス光照射後、Ｓｉ基板内で励起されたキャリアの密度は拡散および再結合によって漸減し、それに伴い反射率も漸減する。励起光照射後、反射率が励起前の値まで戻るまでの時間は主に励起キャリアの再結合緩和時間に依存し、典型的には１００μｓのオーダーである。したがって、図２（ｂ）に示すように出力電磁波は、フラッシュランプ１からの励起光が照射されなくなった後も、反射率が励起前の値まで戻るまで持続する。
なお、前述したようにフラッシュランプパルス光照射後、Ｓｉ基板内で励起されたキャリアの密度は拡散および再結合によって漸減し、それに伴い反射率も漸減する。励起光照射後、反射率が励起前の値まで戻るまでの時間は主に励起キャリアの再結合緩和時間に依存し、典型的には１００μｓのオーダーである。したがって、図２（ｂ）に示すように出力電磁波は、フラッシュランプ１からの励起光が照射されなくなった後も、反射率が励起前の値まで戻るまで持続する。
ここで、フラッシュランプ１への入力エネルギーを蓄積するコンデンサＣへの印加電圧を電圧制御手段４ａにより調節することで、Ｓｉ基板７上のフラッシュランプ光の照度を調節することができる。これにより、図１２で説明したように、立上り変調動作時間を任意に変えることができる。
フラッシュランプのランプ光のＳｉ基板７上の照度を調節する方法は、コンデンサＣへの印加電圧を調節する方法以外に、減光フィルタにより照度を調整したり、集光素子２による集光点位置を調整し、Ｓｉ基板７上での集光状態を変化させて行ってもよい。
本実施例において、Ｓｉ基板７上のパルス照度は最大約２００ｍＪ／ｃｍ2 である。また、フラッシュランプの光パルス波形は略正弦波であり、パルス時間幅は約１０-4ｓｅｃ．である。被変調電磁波の波長が２．６ｍｍの場合、立上り変調動作時間は最短で約１０-7ｓｅｃ．である。
フラッシュランプのランプ光のＳｉ基板７上の照度を調節する方法は、コンデンサＣへの印加電圧を調節する方法以外に、減光フィルタにより照度を調整したり、集光素子２による集光点位置を調整し、Ｓｉ基板７上での集光状態を変化させて行ってもよい。
本実施例において、Ｓｉ基板７上のパルス照度は最大約２００ｍＪ／ｃｍ2 である。また、フラッシュランプの光パルス波形は略正弦波であり、パルス時間幅は約１０-4ｓｅｃ．である。被変調電磁波の波長が２．６ｍｍの場合、立上り変調動作時間は最短で約１０-7ｓｅｃ．である。
なお、図１では、Ｓｉ基板７で反射した電磁波を変調電磁波として照射対象１４に出力するようにしたが、Ｓｉ基板７を透過した電磁波を変調電磁波として照射対象１４に出力してもよい。
この場合は、フラッシュランプ１からＳｉ基板７に励起パルス光が照射されると、照射対象１４に出力されていた変調電磁波が、フラッシュランプ光の照度に応じた立下がり変調動作時間で立ち下がる。
この場合は、フラッシュランプ１からＳｉ基板７に励起パルス光が照射されると、照射対象１４に出力されていた変調電磁波が、フラッシュランプ光の照度に応じた立下がり変調動作時間で立ち下がる。
図３（ａ）は、一般的なフラッシュランプ点灯回路の例を模式的に表したものであり、同図はフラッシュランプ１を、その管軸を通る平面で切った断面図を示している。
図３（ａ）に示すフラッシュランプ１は棒状ランプであり、透光性材料からなるバルブ１ｅ内に放電ガスが封入され、且つ、該バルブ１ｅ内に、対向配置された一対の電極１ｂ（陽極）と電極１ｃ（陰極）が設けられ、バルブ１ｅの外側にトリガ線１ａが取り付けられている。
上記一対の電極１ｂ，１ｃは、電極棒１ｆを介して給電ライン５に接続され、給電ライン５の他端は、充電電源４が接続されたコンデンサＣに接続されている。
図３（ａ）において、充電電源４よりコンデンサＣに電荷を蓄え、トリガパルス発生器３から外部トリガ１ａにトリガパルスを印加することにより、コンデンサＣの蓄積電荷がランプに瞬時に供給され、電極１ｂ，１ｃ間にアークが発生し、パルス発光を得る。
図３（ａ）に示すフラッシュランプ１は棒状ランプであり、透光性材料からなるバルブ１ｅ内に放電ガスが封入され、且つ、該バルブ１ｅ内に、対向配置された一対の電極１ｂ（陽極）と電極１ｃ（陰極）が設けられ、バルブ１ｅの外側にトリガ線１ａが取り付けられている。
上記一対の電極１ｂ，１ｃは、電極棒１ｆを介して給電ライン５に接続され、給電ライン５の他端は、充電電源４が接続されたコンデンサＣに接続されている。
図３（ａ）において、充電電源４よりコンデンサＣに電荷を蓄え、トリガパルス発生器３から外部トリガ１ａにトリガパルスを印加することにより、コンデンサＣの蓄積電荷がランプに瞬時に供給され、電極１ｂ，１ｃ間にアークが発生し、パルス発光を得る。
図３（ａ）では、電極間の距離がＬの棒状ランプを示したが、フラッシュランプをできるだけ高照度で照射するためには、ミラー等の集光素子により効率よく集光することができる点光源であること、即ちフラッシュランプの極間が短いことが望ましい。
いまフラッシュランプの点灯回路におけるコンデンサ容量をＣ、回路インダクタンスをＬ、コンデンサ充電電圧をＶ、ピーク電流をＪとすると、点灯パルス時間幅（τ）及びダンピングファクター（α）は次式で表される。
τ＝（ＬＣ）-1/2 （１）
α＝ＶＪ-1/2／｛Ｖ（Ｌ／Ｃ）1/2 ｝1/2 （２）
ここで、ダンピングファクター（α）は、フラッシュランプ１に流れる電流の時間波形を表す因子である。
α≒０．７５の場合、電流波形は臨界制動となり、配線経路の僅かな抵抗を無視すると、コンデンサへの充電エネルギーは全てフラッシュランプで消費される。α＞０．７５の場合、電流波形は過制動となり臨界制動の場合よりピーク電流値が小さくなる。また、α＜０．７５の場合、電流波形は過小制動（振動波形）となる。
いまフラッシュランプの点灯回路におけるコンデンサ容量をＣ、回路インダクタンスをＬ、コンデンサ充電電圧をＶ、ピーク電流をＪとすると、点灯パルス時間幅（τ）及びダンピングファクター（α）は次式で表される。
τ＝（ＬＣ）-1/2 （１）
α＝ＶＪ-1/2／｛Ｖ（Ｌ／Ｃ）1/2 ｝1/2 （２）
ここで、ダンピングファクター（α）は、フラッシュランプ１に流れる電流の時間波形を表す因子である。
α≒０．７５の場合、電流波形は臨界制動となり、配線経路の僅かな抵抗を無視すると、コンデンサへの充電エネルギーは全てフラッシュランプで消費される。α＞０．７５の場合、電流波形は過制動となり臨界制動の場合よりピーク電流値が小さくなる。また、α＜０．７５の場合、電流波形は過小制動（振動波形）となる。
点光源として扱える短極間のフラッシュランプの場合、ランプインピーダンスが小さくなる、すなわちＶＪ-1/2の値が小さくなる。このため従来の給電方法を用いると、αの値が０．７５よりも遥かに小さくなり、ランプ電流の時間波形は振動波形となる。このため、極間を小さくしてもピーク照度を大きくすることができないこととなる。
図３（ａ）の例ではフラッシュランプのＸｅ封入圧は３ａｔｍ、電極及び電極棒の長さは両極とも５０ｍｍ、コンデンサ充電電圧は３００Ｖ、コンデンサ容量は１００μＦのものを使用した。コンデンサ・フラッシュランプ間の伝送路長は２００ｍｍであり、Ф２．５ｍｍ導線を使用した。回路インダクタンスの実測値は２．０μＦであった。このとき極間長５ｍｍ，３０ｍｍの場合のαの値はそれぞれ０．４０，０．７５であり、それぞれ場合のランプ電流波形は図３（ｂ）に示すようになる。同図のＡは極間長３０ｍｍの時の電流波形を示し、Ｂは、極間長５ｍｍのときの電流波形を示す。
同図から分かるように、極間長５ｍｍとしても振動波形となりピーク照度を大きくできない。
図３（ａ）の例ではフラッシュランプのＸｅ封入圧は３ａｔｍ、電極及び電極棒の長さは両極とも５０ｍｍ、コンデンサ充電電圧は３００Ｖ、コンデンサ容量は１００μＦのものを使用した。コンデンサ・フラッシュランプ間の伝送路長は２００ｍｍであり、Ф２．５ｍｍ導線を使用した。回路インダクタンスの実測値は２．０μＦであった。このとき極間長５ｍｍ，３０ｍｍの場合のαの値はそれぞれ０．４０，０．７５であり、それぞれ場合のランプ電流波形は図３（ｂ）に示すようになる。同図のＡは極間長３０ｍｍの時の電流波形を示し、Ｂは、極間長５ｍｍのときの電流波形を示す。
同図から分かるように、極間長５ｍｍとしても振動波形となりピーク照度を大きくできない。
図４に本発明で使用するのにさらに望ましいフラッシュランプの構成及び電磁変調器への適用例を示す。
同図はフラッシュランプ１を、その管軸を通る平面で切った断面図を示している。
図４において、放電ガスが封入された透光性材料からなるバルブ１ｅ内に、対向配置された一対の電極（陽極）１ｂと電極１ｃ（陰極）が設けられ、バルブ１ｅの外側にはトリガ線１ａが取り付けられている。
集光ミラー２は楕円集光鏡であり、その中央に開口が設けられ、該開口から、フラッシュランプ１が、楕円集光鏡の光軸に沿って挿入されている。
フラッシュランプ１の電極１ｂ，１ｃの極間は例えば５ｍｍと短く、電極１ｂ，１ｃはパルス光の照射方向に配置されている。
フラッシュランプ１のアーク位置は集光ミラー２の１つの焦点と一致するように設置されており、アークからのパルス光は集光ミラー２によりもう一方の焦点に集光される。
同図はフラッシュランプ１を、その管軸を通る平面で切った断面図を示している。
図４において、放電ガスが封入された透光性材料からなるバルブ１ｅ内に、対向配置された一対の電極（陽極）１ｂと電極１ｃ（陰極）が設けられ、バルブ１ｅの外側にはトリガ線１ａが取り付けられている。
集光ミラー２は楕円集光鏡であり、その中央に開口が設けられ、該開口から、フラッシュランプ１が、楕円集光鏡の光軸に沿って挿入されている。
フラッシュランプ１の電極１ｂ，１ｃの極間は例えば５ｍｍと短く、電極１ｂ，１ｃはパルス光の照射方向に配置されている。
フラッシュランプ１のアーク位置は集光ミラー２の１つの焦点と一致するように設置されており、アークからのパルス光は集光ミラー２によりもう一方の焦点に集光される。
上記電極（陽極）１ｂは、電極棒１ｆおよび陽極側伝送経路５ａを介してコンデンサＣの一方の端子に接続され、電極１ｃ（陰極）は電極棒１ｆ及び陰極側（帰還）伝送経路５ｂ及び４本の線状導体１ｇを介してコンデンサＣの他方の端子に接続されている。すなわち、陽極側伝送経路５ａと、陰極側（帰還）伝送経路５ｂ及び線状導体５ｃの往復で略同軸構造を成している。
図示しない充電電源により上記コンデンサＣに電荷を蓄え、トリガパルス発生器３から外部トリガ１ａにトリガパルスを印加することにより、コンデンサＣの蓄積電荷がランプに瞬時に供給され、電極１ｂ，１ｃ間にアークが発生し、パルス発光を得る。
このパルス光は集光ミラー２で集光され、被変調電磁波が入射しているＳｉ基板７に照射される。
図示しない充電電源により上記コンデンサＣに電荷を蓄え、トリガパルス発生器３から外部トリガ１ａにトリガパルスを印加することにより、コンデンサＣの蓄積電荷がランプに瞬時に供給され、電極１ｂ，１ｃ間にアークが発生し、パルス発光を得る。
このパルス光は集光ミラー２で集光され、被変調電磁波が入射しているＳｉ基板７に照射される。
図４に示す本実施例のフラッシュランプ１は、極間が短い（５ｍｍ）ために、ランプ光を楕円ミラー２などの集光素子により効率よく集光することができる。
希ガス封入フラッシュランプでは、ピーク電流にして８ｋＡ／ｃｍ2 程度以上の高電流密度で駆動した場合、高温希ガスプラズマからのイオン線を含む波長２００−３００ｎｍの放射を高効率で得られることが知られている。
ところが先に示したとおり、フラッシュランプ１の極間が短くランプインピーダンスが低い場合、コンデンサＣとフラッシュランプ１を導線で接続する通常の回路では、経路インダクタンスが大きいために電流が振動波形となる、いわゆるアンダーダンピングの状態となり、高い電流密度を得ることができない。
そこで、本実施例では、フラッシュランプ１とコンデンサＣとの間の伝送経路５ａ，５ｂと線状導体５ｃを往復で略同軸構造を成す形状としている。これにより、伝送経路インダクタンスを極端に小さくすることができ、非常に高い電流密度を得ることができる。
さらに、極間からほぼ全周囲方向に放射されるランプ光を遮ることなく集光素子２に導くために、略同軸構造の伝送経路の外側を成す帰還伝送路５ｂの極間部に相当する部分を、ランプ中心軸の周りに均等に配置された４本の線状導体５ｃとしている。
これによりインダクタンスをほとんど増加させることなく、放射される光のほとんどを集光素子に導くことができる。結果として波長２００−３００ｎｍの光を多く含む極めて高照度の照射が可能である。従って、被変調電磁波の反射率はより一層早く飽和に達する。
希ガス封入フラッシュランプでは、ピーク電流にして８ｋＡ／ｃｍ2 程度以上の高電流密度で駆動した場合、高温希ガスプラズマからのイオン線を含む波長２００−３００ｎｍの放射を高効率で得られることが知られている。
ところが先に示したとおり、フラッシュランプ１の極間が短くランプインピーダンスが低い場合、コンデンサＣとフラッシュランプ１を導線で接続する通常の回路では、経路インダクタンスが大きいために電流が振動波形となる、いわゆるアンダーダンピングの状態となり、高い電流密度を得ることができない。
そこで、本実施例では、フラッシュランプ１とコンデンサＣとの間の伝送経路５ａ，５ｂと線状導体５ｃを往復で略同軸構造を成す形状としている。これにより、伝送経路インダクタンスを極端に小さくすることができ、非常に高い電流密度を得ることができる。
さらに、極間からほぼ全周囲方向に放射されるランプ光を遮ることなく集光素子２に導くために、略同軸構造の伝送経路の外側を成す帰還伝送路５ｂの極間部に相当する部分を、ランプ中心軸の周りに均等に配置された４本の線状導体５ｃとしている。
これによりインダクタンスをほとんど増加させることなく、放射される光のほとんどを集光素子に導くことができる。結果として波長２００−３００ｎｍの光を多く含む極めて高照度の照射が可能である。従って、被変調電磁波の反射率はより一層早く飽和に達する。
本実施例において、ランプ光のパルス波形は略正弦波であり、パルス時間幅は約２×１０-5ｓｅｃ．である。Ｓｉ基板上の照度は約０．２Ｊ／ｃｍ2 であり、このうち約３０％が波長２００−３００ｎｍの光の放射である。このとき波長２．６ｍｍの被変調電磁波の反射波強度の立上りは１０-9ｓｅｃ．程度であった。
さらに、ランプ光は波長２００−３００ｎｍの光のみならず、比較的侵入長の長い波長の光も含んでいるため、Ｓｉ基板の比較的深い部分にも自由キャリアが励起される。
主に表面近傍に生成された自由キャリアはＳｉ基板中を拡散するが、表面から比較的深い部分にも自由キャリアが生成されているため、その拡散の度合いは表面近傍のみに自由キャリアが生成された場合に比較して小さくなると考えられる。従って、波長２００−３００ｎｍ以外の波長も含む白色光の照射により、波長２００−３００ｎｍのみを照射した場合に比べて表面近傍に高いキャリア密度を実現でき、即ち反射波強度の立上り時間をより一層短くなっていると考えられる。
さらに、ランプ光は波長２００−３００ｎｍの光のみならず、比較的侵入長の長い波長の光も含んでいるため、Ｓｉ基板の比較的深い部分にも自由キャリアが励起される。
主に表面近傍に生成された自由キャリアはＳｉ基板中を拡散するが、表面から比較的深い部分にも自由キャリアが生成されているため、その拡散の度合いは表面近傍のみに自由キャリアが生成された場合に比較して小さくなると考えられる。従って、波長２００−３００ｎｍ以外の波長も含む白色光の照射により、波長２００−３００ｎｍのみを照射した場合に比べて表面近傍に高いキャリア密度を実現でき、即ち反射波強度の立上り時間をより一層短くなっていると考えられる。
図５（ａ）に本発明で使用するのにさらに望ましいフラッシュランプの構成を示し、同図（ｂ）に管軸に垂直な平面で切った断面図を示す。
同図はフラッシュランプ１を、その管軸を通る平面で切った断面図を示している。
図５において、放電ガスが封入された透光性材料からなるバルブ１ｅ内に、対向配置された一対の電極（陽極）１ｂと電極１ｃ（陰極）が設けられ、電極１ｂ，１ｃ間にトリガ電極１ｇが設けられている。バルブ１ｅの両端は封止部１ｄで封止され、封止部１ｄを上記電極１ｂ，１ｃに接続された電極棒１ｆが貫通している。
上記電極（陽極）１ｂは、電極棒１ｆに接続され、電極１ｃ（陰極）は電極棒１ｆ’を介して、帰還伝送路５ｂ、線状導体５ｃ及び帰還伝送路５ｂ’に接続されている。本実施例において線状導体５ｃは８本であり、ランプ中心軸の周りに均等に配置されている。
すなわち、電極１ｂ，電極棒１ｆと、電極１ｃ、電極棒１ｆ’帰還伝送経路５ｂ、線状導体５ｃ、帰還伝送路５ｂ’の往復で略同軸構造を成している。
上記のように、本実施例のフラッシュランプにおいて、帰還伝送路は８本の線状導体５ｃで構成され、ランプ中心軸に対称に配置されている。アークは帰還伝送路を流れる電流から反発力を受けるが、伝送路が軸対称に配置されているため、結果的にアークはランプ中心軸に戻されるように力が働き、アークが安定化する。
同図はフラッシュランプ１を、その管軸を通る平面で切った断面図を示している。
図５において、放電ガスが封入された透光性材料からなるバルブ１ｅ内に、対向配置された一対の電極（陽極）１ｂと電極１ｃ（陰極）が設けられ、電極１ｂ，１ｃ間にトリガ電極１ｇが設けられている。バルブ１ｅの両端は封止部１ｄで封止され、封止部１ｄを上記電極１ｂ，１ｃに接続された電極棒１ｆが貫通している。
上記電極（陽極）１ｂは、電極棒１ｆに接続され、電極１ｃ（陰極）は電極棒１ｆ’を介して、帰還伝送路５ｂ、線状導体５ｃ及び帰還伝送路５ｂ’に接続されている。本実施例において線状導体５ｃは８本であり、ランプ中心軸の周りに均等に配置されている。
すなわち、電極１ｂ，電極棒１ｆと、電極１ｃ、電極棒１ｆ’帰還伝送経路５ｂ、線状導体５ｃ、帰還伝送路５ｂ’の往復で略同軸構造を成している。
上記のように、本実施例のフラッシュランプにおいて、帰還伝送路は８本の線状導体５ｃで構成され、ランプ中心軸に対称に配置されている。アークは帰還伝送路を流れる電流から反発力を受けるが、伝送路が軸対称に配置されているため、結果的にアークはランプ中心軸に戻されるように力が働き、アークが安定化する。
図６に本発明の望ましい実施形態である電磁変調器の第２の実施例を示す。本実施例は、第１、第２のフラッシュランプと２枚の半導体基板を用い、この２枚半導体基板にフラッシュランプから励起光を照射して、被変調電磁波を変調する場合を示す。
図６において、１−１，１−２は前記図４に示したフラッシュランプ、２−１，２−２はフラッシュランプの光を集光する楕円集光鏡からなる集光ミラーであり、同図はフラッシュランプの長手方向の軸に垂直な平面できった断面図を示している。
電磁波源１３から出力される被変調電磁波１０ａは、入射側軸外し放物面ミラー１１を介して第１のＳｉ基板７−１に入射して、第１のフラッシュランプ１−１のパルス光により変調され、その反射電磁波１０ｂは第２のＳｉ基板７−２に入射する。
第２のＳｉ基板７−２に入射した電磁波１０ｂは、第２のフラッシュランプ１−２のパルス光により変調されるが、第２のＳｉ基板７−２を励起するフラッシュランプ１−２は、図７（ａ）に示すように、第１のフラッシュランプ１−１から時間ｔｄだけ遅延して発光する。
図６において、１−１，１−２は前記図４に示したフラッシュランプ、２−１，２−２はフラッシュランプの光を集光する楕円集光鏡からなる集光ミラーであり、同図はフラッシュランプの長手方向の軸に垂直な平面できった断面図を示している。
電磁波源１３から出力される被変調電磁波１０ａは、入射側軸外し放物面ミラー１１を介して第１のＳｉ基板７−１に入射して、第１のフラッシュランプ１−１のパルス光により変調され、その反射電磁波１０ｂは第２のＳｉ基板７−２に入射する。
第２のＳｉ基板７−２に入射した電磁波１０ｂは、第２のフラッシュランプ１−２のパルス光により変調されるが、第２のＳｉ基板７−２を励起するフラッシュランプ１−２は、図７（ａ）に示すように、第１のフラッシュランプ１−１から時間ｔｄだけ遅延して発光する。
したがって、第１のＳｉ基板７−１にフラッシュランプ１−１からの励起光６−１が入射すると、第１のＳｉ基板７−１に入射している被変調電磁波１０ａは、第１のＳｉ基板７−１で反射し、反射した電磁波１０ｂは、第２のＳｉ基板７−２に入射する。
すなわち、上記第１のＳｉ基板７−１で反射した電磁波１０ｂの強度は図７（ｂ）に示すようになる。
このとき、第２のＳｉ基板７−２にフラッシュランプ１−２からの励起光６−１が照射されていないと、第２のＳｉ基板７−２に入射した電磁波は、Ｓｉ基板７−２を透過し、この透過電磁波は、入射側軸外し放物面ミラー１２を介して電磁波の照射対象１４に出力される。
遅延時間Ｔｄ経過後、第２のフラッシュランプ７−２が発光すると、第２のＳｉ基板７−２に励起光が入射し、第２のＳｉ基板７−２の反射率が増大する。このため、第１のＳｉ基板７−１で反射して第２のＳｉ基板に入射した電磁波１０ｂは第２のＳｉ基板７−２で反射され、照射対象１４へ出力されなくなる。
このため図７（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板７−２にパルスレーザ光２６が入射すると、照射対象１４へ出力される電磁波は立ち下がる。
すなわち、上記第１のＳｉ基板７−１で反射した電磁波１０ｂの強度は図７（ｂ）に示すようになる。
このとき、第２のＳｉ基板７−２にフラッシュランプ１−２からの励起光６−１が照射されていないと、第２のＳｉ基板７−２に入射した電磁波は、Ｓｉ基板７−２を透過し、この透過電磁波は、入射側軸外し放物面ミラー１２を介して電磁波の照射対象１４に出力される。
遅延時間Ｔｄ経過後、第２のフラッシュランプ７−２が発光すると、第２のＳｉ基板７−２に励起光が入射し、第２のＳｉ基板７−２の反射率が増大する。このため、第１のＳｉ基板７−１で反射して第２のＳｉ基板に入射した電磁波１０ｂは第２のＳｉ基板７−２で反射され、照射対象１４へ出力されなくなる。
このため図７（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板７−２にパルスレーザ光２６が入射すると、照射対象１４へ出力される電磁波は立ち下がる。
すなわち、出力される被変調電磁波の波形は、第１のＳｉ基板７−１での変調によりパルス立上りの変調動作時間が定まり、第２のＳｉ基板７−２での変調によりパルス立下りの変調動作時間が定まり、さらに上記遅延時間ｔｄにより時間幅が決定されるパルスとなる。
立上りの変調動作時間は第１のＳｉ基板７−１に照射されるフラッシュランプ７−１の照度により定まり、立下り変調動作時間は、第２のＳｉ基板７−２に照射されるフラッシュランプ７−１の照度により定まるので、２つのフラッシュランプ７−１，７−２の照度および遅延時間ｔｄを変化させることにより、立上り、立下りの変調動作時間およびパルス時間幅を任意に変えることができる。
立上りの変調動作時間は第１のＳｉ基板７−１に照射されるフラッシュランプ７−１の照度により定まり、立下り変調動作時間は、第２のＳｉ基板７−２に照射されるフラッシュランプ７−１の照度により定まるので、２つのフラッシュランプ７−１，７−２の照度および遅延時間ｔｄを変化させることにより、立上り、立下りの変調動作時間およびパルス時間幅を任意に変えることができる。
図８に、本発明のさらに望ましい形態の実施例を示し、本実施例は本発明で使用される半導体基板の望ましい構成例を示す。
本実施例では同図に示すように、Ｓｉ基板７の表面上にＳｉＯ2 の薄膜７ａが形成されている。
ＳｉＯ2 の屈折率はＳｉよりも小さいため、励起光６の反射率を低減することができ、照射された励起光６がＳｉ基板に吸収される割合を増やすことができる。ＳｉＯ2 以外にも例えばＣａＦ2 ，ＬｉＦ2 ，ｋＢｒ，ＣａＢｒ2 ，ＫＩ，ＣａＩ2 ，ＣｓＩ，ＳｉＮなどを使用してもよい。ＳｉＯ2 は使用するＳｉ基板を熱処理する等の方法にて比較的容易に薄膜形成することができるためこの目的には最適である。
本実施例では同図に示すように、Ｓｉ基板７の表面上にＳｉＯ2 の薄膜７ａが形成されている。
ＳｉＯ2 の屈折率はＳｉよりも小さいため、励起光６の反射率を低減することができ、照射された励起光６がＳｉ基板に吸収される割合を増やすことができる。ＳｉＯ2 以外にも例えばＣａＦ2 ，ＬｉＦ2 ，ｋＢｒ，ＣａＢｒ2 ，ＫＩ，ＣａＩ2 ，ＣｓＩ，ＳｉＮなどを使用してもよい。ＳｉＯ2 は使用するＳｉ基板を熱処理する等の方法にて比較的容易に薄膜形成することができるためこの目的には最適である。
図９に本発明のさらに望ましい形態の実施例を示し、本実施例は本発明で使用される半導体基板のＳｉ基板の望ましい他の構成例を示す。
Ｓｉ基板７の表面上にリソグラフィによりレジストパターンを形成し、プラズマエッチングにより凹凸層７ｂが形成されている。
凹凸の深さｄおよび凹凸パターンの大きさｐは励起光波長程度であり、実施例ではともに３００ｎｍである。凹凸層７ｂの励起光６に対する実効的な屈折率はＳｉ基板そのものよりも小さいため、励起光６の反射率を低減することができ、照射された励起光６がＳｉ基板７に吸収される割合を増やすことができる。
凹凸を形成する方法として、上記のプラズマエッチングのほかにもナノインプリント法等を用いてもよい。
また、図８に示すようにＳｉ基板７の表面上にＳｉＯ2 の薄膜７ａを形成するとともに、図９に示すように、凹凸層７ｂを形成してもよい。
Ｓｉ基板７の表面上にリソグラフィによりレジストパターンを形成し、プラズマエッチングにより凹凸層７ｂが形成されている。
凹凸の深さｄおよび凹凸パターンの大きさｐは励起光波長程度であり、実施例ではともに３００ｎｍである。凹凸層７ｂの励起光６に対する実効的な屈折率はＳｉ基板そのものよりも小さいため、励起光６の反射率を低減することができ、照射された励起光６がＳｉ基板７に吸収される割合を増やすことができる。
凹凸を形成する方法として、上記のプラズマエッチングのほかにもナノインプリント法等を用いてもよい。
また、図８に示すようにＳｉ基板７の表面上にＳｉＯ2 の薄膜７ａを形成するとともに、図９に示すように、凹凸層７ｂを形成してもよい。
１ フラッシュランプ
１ａ トリガ線
１ｂ，１ｃ 電極
１ｄ 封止部
１ｅ バルブ
１ｆ 電極棒
１ｇ 外部トリガ電極
２ 集光ミラー
３ トリガパルス発生器
４ 充電電源
４ａ 電圧制御手段
５ 給電ライン
６ フラッシュランプパルス光
７ Ｓｉ基板（半導体基板）
７ａ ＳｉＯ2 層
７ｂ 凹凸層
１０ａ〜１０ｅ 被変調電磁波
１１，１２ 入射側軸外し放物面ミラー
１３ 電磁波源
１４ 電磁波照射対象
Ｃ コンデンサ
１ａ トリガ線
１ｂ，１ｃ 電極
１ｄ 封止部
１ｅ バルブ
１ｆ 電極棒
１ｇ 外部トリガ電極
２ 集光ミラー
３ トリガパルス発生器
４ 充電電源
４ａ 電圧制御手段
５ 給電ライン
６ フラッシュランプパルス光
７ Ｓｉ基板（半導体基板）
７ａ ＳｉＯ2 層
７ｂ 凹凸層
１０ａ〜１０ｅ 被変調電磁波
１１，１２ 入射側軸外し放物面ミラー
１３ 電磁波源
１４ 電磁波照射対象
Ｃ コンデンサ
Claims (5)
- 半導体基板に励起光を照射して、波長が１×１０−２〜１×１０−５ｍの電磁波に対する該半導体基板の反射率もしくは透過率を制御することにより上記電磁波を変調する電磁変調器であって、
前記励起光を照射する励起光源はフラッシュランプであり、
前記励起光源であるフラッシュランプは、コンデンサからフラッシュランプの一方の極に至る伝送経路及び両極の電極棒と、フラッシュランプの他方の極からコンデンサに至る略円筒状の帰還伝送路とが、略同軸構造を成し、
上記帰還伝送路は、フラッシュランプの電極間の外側に相当する部分の少なくとも一部が、線状または網目状の導体、または透光性導体で構成され、
該フラッシュランプからの放射光を半導体基板に集光照射して励起光とする
ことを特徴とする電磁波変調器。 - 上記帰還伝送路のフラッシュランプの電極間の外側に相当する部分の少なくとも一部が電極間軸にほぼ平行で該電極間軸に対称に配置された複数の線状の導体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波変調器。
- 半導体基板の少なくとも一部を、半導体基板の励起光に対する屈折率よりも小さな屈折率で、かつ励起光の少なくとも一部を透過する物質の薄膜で被覆し、励起光反射率を低減したことを特徴とする請求項１または請求項２の電磁波変調器。
- 半導体基板の少なくとも一部に、励起光波長に相当する大きさの凹凸を設け、励起光反射率を低減したことを特徴とする請求項１，２または請求項３の電磁波変調器。
- 半導体基板がシリコンであることを特徴とする請求項１，２，３または請求項４に記載の電磁波変調器。
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