JP5126705B2 - 光伝導アンテナにおける光学パス変位検出補正方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、光伝導アンテナを用いた電磁波発生及び検出器の光伝導アンテナにおいて、その光学パスの変位を検出する方法と、その方法を実施する装置、並びに、それを利用して光学パスの変位を補正する方法及び装置に関する。

近年、遠赤外線やサブミリ波の領域において新しい発生及び検出方式の研究が急速に進展しつつあり、テラヘルツ波が注目されている。この領域は、赤外とミリ波の間、換言すれば光波と電波の境界に位置する。光と電波のそれぞれの領域が重要な応用技術と共に発展してきたのとは対照的に、技術面でも応用面でも未だ開拓途上にある領域である。

テラヘルツ波帯は、古くから適当な光源と検出素子が無かったために、あまり研究が進んでいなかった。２０世紀後半になって半導体工学やレーザー工学が発達すると、半導体で作製したアンテナ素子をフェムト秒パルスレーザーで励起することでテラヘルツ波が放射される現象が見い出された。
非特許文献１によると、従来方法に比べて小さな装置で簡単にテラヘルツ波を放射できるだけでなく、放射されたテラヘルツ波を時間領域で測定できるので、その振幅情報と位相情報とが同時に得られるという大きな利点がある。
D.H. Auston, K.P. Cheung, and P.R. Smith, Appl.Phys. Lett. 45, 284 (1984)

この研究成果を契機としてテラヘルツ波に関する研究は急速に発展しつつあり、無線通信における周波数帯の有効利用や超高速通信への対応、並びにこの周波数帯の電磁波の特徴を活用したイメージングや、環境計測、各種検査、バイオや医学への応用など、テラヘルツ領域の研究は今後ますます重要になることが予想される。
また、これまで光源・検出器が未発達であったために解明されていない物理現象・生命現象・物質構造の解明、更に、宇宙、大気や生体、プラズマなどの計測・診断など幅広い基礎的な応用分野の発展につながる。

テラヘルツ波帯は発生も検出も困難であり、技術的に未発達な領域であるが、特に、簡便な広帯域波長可変光源はこの領域の応用研究を飛躍的に前進させるために必要不可欠な光源として多くの研究者から待ち望まれている。なかでも0.2〜3テラヘルツ（波長100〜1500μm）付近をカバーする簡便な広帯域波長可変光源の開発が特に求められている。

光技術を用いてテラヘルツ波を発生させる従来の方式には、次のようなものがある。すなわち、非線形光学結晶を用いた差周波光発生（DFG）、非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振、光伝導（PC）素子を用いた光混合、PC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生が挙げられる。

非線形光学結晶を用いたDFGと非線形光学結晶を用いたパラメトリック発振は、２次の非線形光学効果を有する結晶に光波を入射し、位相整合条件下でテラヘルツ波を発生させる構成である。DFGでは、二つの入射光の波長間隔を変化させることによって、発生させるテラヘルツ波の波長を制御する。一方、パラメトリック発振を用いる方式では、入射光は１波長でよく、またその入射角を変化させるのみで、発生させるテラヘルツ波の波長を制御できる特長がある。

PC素子を用いた光混合とPC素子を用いたフェムト秒光パルスによる超短電磁パルス発生は、非線形光学効果ではなくピコ秒以下のキャリア寿命を有する低温成長 GaAs 薄膜における光伝導効果を用いて光混合を行うものであり、バイアス電界が必要になる点が上記方式と異なる。
微小ダイポールアンテナやスパイラル状のアンテナを一体化した PC 素子を用いて、850 nm 帯の２台の LD 出力の光混合により 0.2〜3 THz の周波数域の CW-テラヘルツ波発生が行われている。また、同様な PC 素子にフェムト秒光パルスを照射することによって、テラヘルツ波を含んだ幅広い周波数成分を有する超短電磁パルスの発生が可能である。

テラヘルツ波時間分解分光装置に用いられる従来の光伝導アンテナにおいては、電磁波の発生も検出も、光伝導アンテナの二つの電極間にレーザーを照射することで行っている。
例えば、これを用いて電磁波形状を検出するには、基板上の二つの電極間に、照射タイミングを徐々に変えながらサンプリング光を照射し、電極間に発生する電流を計測する。これによって、向き合う二つの電極の組の方向と平行な偏波方向のテラヘルツ波が検出される。

しかしながら、この光伝導アンテナの二つの電極間の距離は５μm と非常に狭く、その光学アライメントは非常に精密でなければならない。
経時変化や振動等で容易にずれてしまい、そのズレの補正は非常に精密であり困難であった。

このような高精度の光学アライメントに関連する従来技術には、CDプレイヤー等のピックアップに使われている四分割フォトダイオードで、光学のズレを検出する手段がある。
CDプレイヤーでは、小さなピットをレーザーで読み取るために、微小な光の点にレーザーを収束させ、その一点にレーザー光のピントを合わせなければならない。しかし、CD等の光メディアには若干の歪みがあり、ディスク面は回転によってブレが避けがたい。また、スピンドリルモーターがクランプする穴も、厳密にはディスクの中心から偏心しているため、ディスクの横方向へのブレが避けがたい。また、ＣＤ等の光メディアには、若干のソリがあるので、上下方向へもブレが避けがたい。
これらのブレに追随して安定したフォーカシング及びトラッキングを行う必要があり、光ヘッドのコントロールが課題になっている。

一般に光メディアでは、その上下動を検出するために、円筒形の非点収差レンズを用いている。レンズを通過したレーザー光は、焦点部分では正確な円になるが、焦点からずれると楕円になる。そこで、光検出ピックアップを４つ用い、楕円になったレーザー光を検出して、ヘッドとディスクの距離を算出し、それに応じてレンズをコントロールすることで、常に一定のフォーカスを得るようにしている。
また、光メディアによっては、フーコーレンズと呼ばれる台形のレンズを用いてフォーカスを決める方法も採用されている。フーコーレンズを用いた方法も、基本的には光検出部でずれを検出する点で、非点収差を用いる方法と同様である。

光メディアの横移動を検出するためには、ファーフィールド方法が用いられている。 それには、レーザーを回折格子に通し、一つの０次回折光と２つの一次回折光の３つに分解する。この３つの回折光を光ディスク面に照射し、反射してきた回折光を分析することで、レーザー光がトラックの中心に当たっているかを判断する。反射光を三分割フォトダイオードで読み取り、０次回折光データはデータの読み取りに用い、２つの一次回折光をトラックのずれの検出に用いている。

このように、別分野では、高精度の光学アライメントに関連する技術はあるが、これを光伝導アンテナに利用することはできず、光伝導アンテナの光学アライメントのズレは検出も補正も、専門の技術者の手に委ねられていたのが現状である。

そこで、本発明は、光伝導アンテナを用いた電磁波発生及び検出器の光伝導アンテナにおいて、その光学パスの変位を検出し補正する方法及び装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の光伝導アンテナにおける光学パス変位検出方法は、次の構成を備える。
すなわち、光伝導アンテナを用いた電磁波発生及び検出器の光伝導アンテナにおける光学パスの変位を検出する方法であって、基板と、その表面に形成された金属膜から成る３個以上の電極と、その各電極に接続された配線と、電極間にかかる電流を測定する電流測定手段とを備えた装置に対して、サンプリング光照射手段によって電極間にサンプリング光を照射すると共に、被検出波照射手段によって検出対象の電磁波を電極間に照射し、電極制御手段によって、電流測定手段で計測する電極の組を選択切替し、光学パス変位演算手段によって、基板上における各電極組の配置と電極制御手段で選択された電極組と電流測定手段で計測された電極組毎の電流値とから、ビームのスポット位置を算出し、規定のビームスポット位置との差異から光学パスのズレを求めることを特徴とする。

ここで、電極を、互いに１２０°の角度をなして対称的に放射状に配置された３本の薄膜で構成し、その３電極のうちから２電極の組を、異なる２通りの組み合わせで選択し、その２通りの各組み合わせによって得られる各電流測定値を加算或いは減算することによって、直交する２方向における光学パスのズレを求めてもよい。

或いは、電極を、互いに９０°の角度をなして対称的に放射状に配置された４本の薄膜で構成し、その４電極のうちから対向する２電極の組を、異なる２通りの組み合わせで選択し、その２通りの各組み合わせによって得られる各電流測定値から、直交する２方向における光学パスのズレを求めてもよい。

本発明の光伝導アンテナにおける光学パス変位補正方法は、前記光学パス変位検出方法を利用し、サンプリング光照射手段と電極間との間に、サンプリング光のパスを変えるミラーを設けると共に、前記光学パス変位検出装置で得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるようにミラー制御手段により前記ミラーを回動させることを特徴とする。

また、光伝導アンテナの基板を３次元的に回転或いは並進移動させるアンテナ基板調整手段を設けると共に、前記光学パス変位検出装置で得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるようにアンテナ基板制御手段により前記アンテナ基板調整手段を回転或いは並進移動させてもよい。

前記光学パス変位検出方法を実施する本発明の光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置は、次の構成を備える。
すなわち、光伝導アンテナを用いた電磁波発生及び検出器の光伝導アンテナにおける光学パスの変位を検出する装置であって、基板と、その表面に形成された金属膜から成る３個以上の電極と、その各電極に接続された配線と、その配線に接続され電極間にかかる電流を測定する電流測定手段と、電極間にサンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、検出対象の電磁波を電極間に照射する被検出波照射手段と、電流測定手段で計測する電極の組を選択切替する電極制御手段と、基板上における各電極組の配置と電極制御手段で選択された電極組と電流測定手段で計測された電極組毎の電流値とから、ビームのスポット位置を算出し、規定のビームスポット位置との差異から光学パスのズレを求める光学パス変位演算手段と、を備えることを特徴とする。

ここで、電極を、放射状に配置された３本以上の薄膜で構成してもよい。

本発明の光伝導アンテナにおける光学パス変位補正装置は、前記光学パス変位検出装置を利用し、サンプリング光照射手段と電極間との間に配設されサンプリング光のパスを変えるミラーを設けると共に、前記光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置で得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるように前記ミラーを回動させるミラー制御手段を設けることを特徴とする。

また、光伝導アンテナの基板を３次元的に回転或いは並進移動させるアンテナ基板調整手段を設けると共に、前記光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置で得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるように前記アンテナ基板調整手段を回転或いは並進移動させるアンテナ基板制御手段を設けてもよい。

本発明によると、光伝導アンテナに３個以上の電極を用い、電極の組を切替制御 して電極間にかかる電流を測定するので、電極組毎の電流値からビームのスポット位置を算出でき、規定のビームスポット位置との差異から光学パスのズレを求めることが可能であり、光学パスの変位を補正することに容易に行えるようになる。

以下に、図面を基に本発明の実施形態を説明する。
図１は、光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置の要部を示す一部投影斜視説明図である。
光伝導アンテナは、基板（１１）と、その表面にパターニング形成された金属膜から成るアンテナパターン（１２）とを有する。アンテナパターン（１２）には、配線（１３）を介して、その端子電極（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）間にかかる電流を測定する電流測定手段（１４ａ）（１４ｂ）が接続されている。
基板（１１）としては、低温成長ＧａＡｓなどが利用できる。

テラヘルツ波検出装置は、約０．０１×１０^１２ 〜１００×１０^１２ Ｈzの周波数領域のパルス光を試料に照射して、試料からの透過光または反射光を検出することにより、試料の電気的特性や成分濃度や同定などを測定する装置として利用できる。
試料を透過または反射したテラヘルツ波（２１）は、半球状等のレンズ（１５）またはミラーを介して光伝導アンテナへ入射し、電極（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）間に照射される。一方、サンプリング光としてのパルス光（２２）もそこに照射する。
なお、パルス光（２２）の光源としては、例えば、フェムト秒パルスレーザーが利用できる。集光レンズを介挿してパルス光（２２）の光束を絞ってもよい。

電極（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）間では、テラヘルツ波（２１）によって電場が生じた状態になり、サンプリング光としてのパルス光（２２）によって電場強度に応じた光電流が生じる。それを電流測定手段（１４）で計測することで、テラヘルツ波（２１）に依存する電場強度を求めることができる。

ビームスポットが、電極（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）の中央に合っていれば、３電極間の各電流は光誘起キャリアによって均等に低くなるが、ビームスポットが所望位置とずれて入射すると、光誘起キャリアの発生する位置が変位し、規定の電流値とは異なる組み合わせの値を示す。変位の大きさ及び方向は、各電流値の組み合わせから算出される。

本発明では、アンテナパターン（１２）の電極を３個以上設ける。図示の例では、３個の電極（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）が、互いに１２０°の角度をなして対称的に放射状に配置されている。
電極が３個以上あると、電流を測定する電極の組を複数通りに選択することが可能になる。例えば、電極が３個の場合、電極（１２ａ）と電極（１２ｃ）との組からは電流測定手段（１４ａ）によって電流Ａが計測され、電極（１２ｂ）と電極（１２ｃ）との組からは電流測定手段（１４ｂ）によって電流Ｂが計測される。

電極（１２ａ）と電極（１２ｃ）との組から得られた電流Ａと、電極（１２ｂ）と電極（１２ｃ）との組から得られた電流Ｂとを加算する（A+B）と、図示の縦方向（Ｓ）において、電極（１２ａ）（１２ｃ）（１２ｂ）の中央など規定位置からのビームスポットの変位が算出される。
また、電極（１２ａ）と電極（１２ｃ）との組から得られた電流Ａと、電極（１２ｂ）と電極（１２ｃ）との組から得られた電流Ｂとを減算する（A-B）と、図示の横方向（Ｄ）において、電極（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）の中央など規定位置からのビームスポットの変位が算出される。
このように、２通りの組み合わせによって得られる各電流測定値を加算或いは減算することによって、直交する２方向（Ｓ）（Ｄ）における光学パスのズレを１回の測定で同時に求めることができる。

図２は、電極の数の異なる別実施例を示す光伝導アンテナの要部正面説明図である。
図示の例のアンテナパターン（１２）では、４個の電極（１２ａ）（１２ｂ）（１２ｃ）（１２ｄ）を、互いに９０°の角度をなして対称的に放射状に配置させている。
電極（１２ａ）と電極（１２ｃ）との組から得られた電流と、電極（１２ｂ）と電極（１２ｄ）との組から得られた電流Ｂとから、直交する２方向（Ｓ）（Ｄ）における光学パスのズレを１回の測定で同時に求めることができる。

電極の数や配置は、電極数が３以上で線形独立な配置であれば任意である。電極の配置と、選択する電極組の配置に応じ、それらから得られる電流値を線形結合する演算によって、所望の方向の光学パスのズレを１回の測定で同時に求めることができる。

図３は、図１に示した光学パス変位検出装置を利用した光学パス変位補正装置の要部を示す一部投影斜視説明図である。
サンプリング光照射手段とアンテナパターン（１２）との間か、被検出波照射手段とアンテナパターン（１２）との間かの少なくとも一方に、それぞれサンプリング光としてのパルス光（２２）のパスを変えるミラー（３１）を設ける。
これにより、前記光学パス変位検出装置で得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるようにミラー（３１）を回動させて、ビームのスポット位置を規定のビームスポット位置に調整する。

ビームスポットの位置調整には、光伝導アンテナの基板（１１）を３次元的に回転或いは並進移動させるアンテナ基板調整手段を用いてもよい。
得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるようにアンテナ基板制御手段により前記アンテナ基板調整手段を回転或いは並進移動させる。基板（１１）を回転或いは並進移動させるには、例えば、Ｘ線回折装置に使われるゴニオメーターなど従来公知の手段を適宜利用できる。

本発明によると、容易に光伝導アンテナの光学パスの変位を検出し補正できるので、例えばテラヘルツ波帯に活用して、精度の高く維持される通信用の電磁波受信アンテナや、センシングシステム分野における検出装置や、分光装置のための検出装置などに活用できる。
テラヘルツ波技術は、原子系の量子状態を制御する手段としての原子チップ、原子光学、BEC技術や、物質系の新しい観測手段としても有望であり、本発明はテラヘルツ波の多様な用途に寄与する。
テラヘルツ波の応用分野は、物性、分子分光、生体研究などの基礎研究から、半導体など各種材料の品質評価、高感度ガス検出、超高速通信などの応用分野まで多岐にわたる。
また、半導体、プラスチック、ビニール、紙、ゴム、木材、歯、骨、乾燥食品などを透過する電磁波の中で、テラヘルツ波が最も短波長すなわち高分解能であることから、人体に危険なX線に代わる安全な非破壊検査用光源としての実用化に期待がもたれる。
更に、DNAやタンパク質、酵素など生体高分子の骨格振動周波数が、テラヘルツ波領域に存在することが明らかになりつつあり、医療応用や生体イメージングなどの分野でも有望である。
また、皮膚癌や乳癌の早期診断、火傷深さの診断、虫歯の断層撮影、半導体シリコン基板の検査、粉ミルク等への異物混入防止、乾燥食品の水分含有量検査、材木や紙などの水分含有量検査など多分野にわたるので、産業上利用価値が高い。

光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置の要部を示す一部投影斜視説明図 電極の数の異なる別実施例を示す光伝導アンテナの要部正面説明図 図１に示した光学パス変位検出装置を利用した光学パス変位補正装置の要部を示す一部投影斜視説明図

符号の説明

１１ 基板
１２ アンテナパターン
１２ａ〜１２ｄ 電極
１３ 配線
１４ａ〜１４ｄ 電流測定手段
１５ レンズ
２１ 検出対象の電磁波
２２ サンプリング光としてのパルス光
３１ ミラー

Claims (9)

1. 光伝導アンテナを用いた電磁波発生及び検出器の光伝導アンテナにおける光学パスの変位を検出する装置であって、
   基板と、その表面に形成された金属膜から成る３個以上の電極と、その各電極に接続された配線と、その配線に接続され電極間にかかる電流を測定する電流測定手段と、電極間にサンプリング光を照射するサンプリング光照射手段と、検出対象の電磁波を電極間に照射する被検出波照射手段と、
   電流測定手段で計測する電極の組を選択切替する電極制御手段と、
   基板上における各電極組の配置と電極制御手段で選択された電極組と電流測定手段で計測された電極組毎の電流値とから、ビームのスポット位置を算出し、規定のビームスポット位置との差異から光学パスのズレを求める光学パス変位演算手段と、を備える
   ことを特徴とする光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置。
2. 電極が、放射状に配置された３本以上の薄膜で構成された
   請求項１に記載の光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置。
3. サンプリング光照射手段と電極間との間に配設されサンプリング光のパスを変えるミラーを備えると共に、
   請求項１または２に記載の光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置で得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるように前記ミラーを回動させるミラー制御手段を備える
   ことを特徴とする光伝導アンテナにおける光学パス変位補正装置。
4. 光伝導アンテナの基板を３次元的に回転或いは並進移動させるアンテナ基板調整手段を備えると共に、
   請求項１または２に記載の光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置で得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるように前記アンテナ基板調整手段を回転或いは並進移動させるアンテナ基板制御手段を備える
   ことを特徴とする光伝導アンテナにおける光学パス変位補正装置。
5. 光伝導アンテナを用いた電磁波発生及び検出器の光伝導アンテナにおける光学パスの変位を検出する方法であって、
   基板と、その表面に形成された金属膜から成る３個以上の電極と、その各電極に接続された配線と、電極間にかかる電流を測定する電流測定手段とを備えた装置に対して、
   サンプリング光照射手段によって電極間にサンプリング光を照射すると共に、 被検出波照射手段によって検出対象の電磁波を電極間に照射し、
   電極制御手段によって、電流測定手段で計測する電極の組を選択切替し、
   光学パス変位演算手段によって、基板上における各電極組の配置と電極制御手段で選択された電極組と電流測定手段で計測された電極組毎の電流値とから、ビームのスポット位置を算出し、規定のビームスポット位置との差異から光学パスのズレを求める
   ことを特徴とする光伝導アンテナにおける光学パス変位検出方法。
6. 電極を、互いに１２０°の角度をなして対称的に放射状に配置された３本の薄膜で構成し、
   その３電極のうちから２電極の組を、異なる２通りの組み合わせで選択し、その２通りの各組み合わせによって得られる各電流測定値を加算或いは減算することによって、直交する２方向における光学パスのズレを求める
   請求項５に記載の光伝導アンテナにおける光学パス変位検出方法。
7. 電極を、互いに９０°の角度をなして対称的に放射状に配置された４本の薄膜で構成し、
   その４電極のうちから対向する２電極の組を、異なる２通りの組み合わせで選択し、その２通りの各組み合わせによって得られる各電流測定値から、直交する２方向における光学パスのズレを求める
   請求項５に記載の光伝導アンテナにおける光学パス変位検出方法。
8. サンプリング光照射手段と電極間との間に、サンプリング光のパスを変えるミラーを設けると共に、
   請求項５ないし７に記載の光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置で得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるようにミラー制御手段により前記ミラーを回動させる
   ことを特徴とする光伝導アンテナにおける光学パス変位補正方法。
9. 光伝導アンテナの基板を３次元的に回転或いは並進移動させるアンテナ基板調整手段を設けると共に、
   請求項５ないし７に記載の光伝導アンテナにおける光学パス変位検出装置で得られた光学パス変位に応じて、その光学パスのズレがなくなるようにアンテナ基板制御手段により前記アンテナ基板調整手段を回転或いは並進移動させる
   ことを特徴とする光伝導アンテナにおける光学パス変位補正方法。

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