JP5227327B2 - 集積型テラヘルツアンテナおよび送信機および／または受信機ならびにその製造方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、テラヘルツ放射線を送信しかつ／または受信するための集積アンテナに関し、かつこのようなアンテナを含むテラヘルツ放射線の送信機および／または受信機デバイス、ならびに前記アンテナおよび前記デバイスの製造方法に関する。

「テラヘルツ」放射線という用語は、概ね１００ギガヘルツ（ＧＨｚ）から３テラヘルツ（ＴＨｚ）（１ＴＨｚ＝１０^１２ヘルツ（Ｈｚ）＝１０００ＧＨｚ）までの範囲内の周波数における電磁放射線を包含する。より限定的な意味合いにおいては、テラヘルツ放射線はサブミリ域の放射線、即ち概ね１００マイクロメートル（μｍ）から１ミリメートル（ｍｍ）までの範囲内の波長（ほぼ３００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内の周波数）を有する放射線と同義に解釈される。

テラヘルツ放射線は、マイクロ波と赤外線との中間のスペクトル領域を構成する。その応用は長らく二義的なものであり、もしくは存在しなかったが、今では猛烈な発展を遂げている。これらの応用の中で最も重要なものは、汚染検出、非破壊検査および医学診断のための分光学および画像化である。通常、これらの応用は空間内を伝搬するテラヘルツ放射線を利用し、よって、アンテナを有する送信機および受信機を準備することが必要である。

一般的にテラヘルツ周波数で使用されるアンテナは、典型的にはダイポール型（ヘルツダイポール）の平面アンテナであり、基板上へ集積されて放射線の発生または検出に使用される能動素子を有し、かつ基板の裏面に配置されるシリコン製半球レンズを含む基板上へモノリシックに製造される。このようなアンテナは、具体的には、文書ＵＳ５７８９７５０に、およびＧ．Ｍ．Ｒｅｂｅｉｚ著の論文「ミリ波／テラヘルツ集積回路アンテナ（Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ ａｎｄ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｔｅｎｎａｓ）」ＩＥＥＥ会報第８０巻第１１号、１７４８ページ（１９９２年）、に記述されている。

これらのデバイスには、多くの欠点がある。

第１に、レンズをシリコンから製造し、これをアンテナに対してマイクロメートル級の精度で基板上へ位置合わせすることは極めて困難かつ高価である。第２に、主として半導体基板内へ発せられる放射線が基板内で捕捉状態になることを防止するために、カップリングレンズの使用が不可欠である。このようなレンズの存在にも関わらず、実際には、平面型アンテナにより発せられる出力の約２１％しか空間内へ放射されず、残りは基板に捕捉されて吸収される。

さらに、最も広範に使用されている平面アンテナであるヘルツダイポールは効率が低く、さらに悪いことに、その効率は周波数に極度に依存する。真正の「ブロードバンド」アンテナではないという事実にも関わらず、このようなアンテナは、それでも、パルステラヘルツ分光学においてはこれまでに最良の結果を達成することを可能にしてきている。しかしながら、その効率の悪さは、必要な電力が極めて少ない連続的状況下でのその使用を不適にしている。

文書ＵＳ４８５５７４９は、シリコン基板上に製造される、テラヘルツ領域で動作しかつカップリングレンズを必要としないビバルディ型の平面アンテナについて記述している。このようなアンテナを使用して達成される結果は、特にエネルギー効率および大きいパルス分散に鑑みて、完全に満足のいくものではない。

文書ＵＳ２００６／０１５２４１２は、対数螺旋形式の平面アンテナについて記述している。このようなアンテナは比較的優れた効率を呈し、かつブロードバンドアンテナであるが、分散性が高い。その結果、パルス条件下での使用に適さない。

Ｖ．Ｌｕｂｅｃｋｅ他著の論文「テラヘルツ応用の微細機械加工（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｏｆ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」マイクロ波理論および技術に関するＩＥＥＥ会報（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈ．）第４６巻第１１号、１８２１ページ（１９９８年）、は、マイクロテクノロジー技術を使用して製造されかつプレーナ構造における限定事項を克服するテラヘルツシステムのための集積アンテナに関連している。しかしながら、これらの方法により提供される解決策は、製造方法のコストおよび複雑さに起因して、かつ結果的に生じる構造の脆弱さに起因して満足のいくものではない。加えて、使用される技術（ディープエッチング、誘電体薄膜、等）は本質的に、特にテラヘルツ応用に適するものではない材料であるシリコンに適するものである。

本発明の目的は、先行技術による上述の欠点の少なくとも幾つかを改善することにある。

具体的には、本発明の目的は、現在使用されている平面アンテナより高い効率を与える、テラヘルツ放射線を送信または受信するためのアンテナを提供することにある。

本発明の別の目的は、大量生産においても製造が容易かつ安価であるテラヘルツアンテナを提供することにある。

本発明の別の目的は、超広帯域である、かつほとんど分散を呈さないテラヘルツアンテナを提供することにある。このようなアンテナは、超短（ピコ秒）パルスを使用するパルス条件下での使用、および連続的条件下、恐らくは同調可能な条件下での使用にも適するものである可能性がある。

本発明のさらに別の目的は、このようなアンテナと、放射線を発生しかつ／または検出するための少なくとも１つのデバイスとを統合する、テラヘルツ放射線のモノリシックな送信機および／または受信機を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、パルス条件下および連続条件下で等しく良好に動作することができる分光計、およびこのような分光計を基礎とするガス分析器をも提供することにある。

これらの目的のうちの少なくとも１つは、１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの周波数範囲で放射線を送信する、または受信するための集積アンテナによって達成され、本アンテナは、誘電体基板または半導体基板の「上」面上に蒸着される導電性のグランド面と、前記グランド面より上で延びかつ前記グランド面との間で横方向電磁波ホーン型の放射構造体を形成するように角度を形成する導電リボンと、前記基板上面上に形成されかつ各々前記導電リボンおよび前記導電性のグランド面へ接続される少なくとも第１および第２の導電ストリップを備えるプレーナ導波路と、を備えることを特徴とする。

本発明の特定の実施形態において、
・前記導電リボンおよび前記グランド面からのその距離は長手方向へ変わってもよく、前記幅と前記距離との比は、前記プレーナ導波路と、リボンおよびグランド面によって形成される放射構造体との間のインピーダンス整合を達成するように選択される。より具体的には、この比は、前記導電リボンの長さの少なくとも一部にわたって一定に維持されてもよい。

さらに、より具体的には、前記導電リボンの幅および前記グランド面からのその距離は前記長手方向に沿って直線的に増加してもよく、言い換えれば、前記導電リボンは、頂点における半角が５゜から７０゜までの範囲内である略三角形状であってもよい。

前記導電リボンと前記グランド面との間の角度は、好適には５゜から４５゜までの範囲内である。

・前記プレーナ導波路は、同じく前記グランド面へ接続される第３の導電ストリップも含んでもよく、前記第２および第３の導電ストリップは、前記第１の導電ストリップの両側に対称配置される。

・前記グランド面より上で延びて前記グランド面に対してある角度を形成する前記導電リボンは、１００μｍから１０ｍｍまでの範囲内の、かつ好適には５００μｍから５ｍｍまでの範囲内の長さを呈してもよい。

・本アンテナは、前記導電リボンを前記グランド面から離隔して保持するための少なくとも１つのスペーサも含んでもよい。

また本発明は、先に定義したアンテナと、１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内の周波数で電磁信号を発生するための、アンテナと同じ誘電体基板または半導体基板上に集積される少なくとも１つの発生器デバイスとを備えるテラヘルツ送信機も提供し、前記アンテナのプレーナ導波路は、前記電磁信号を発生器デバイスからリボンおよびグランド面によって形成される放射構造体まで運ぶように配置される。

また本発明は、先に定義したアンテナと、１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内の周波数の電磁信号を検出するための、アンテナと同じ誘電体基板または半導体基板上に集積される少なくとも１つの検出器デバイスとを備えるテラヘルツ受信機も提供し、前記アンテナのプレーナ導波路は、前記電磁信号をリボンおよびグランド面によって形成される放射構造体から検出器デバイスまで運ぶように配置される。

また本発明は、光伝導型の先に述べたようなテラヘルツ放射線送信器と、同様に光伝導型であって、前記送信機によって発生されるテラヘルツ放射線を、前記放射線が分析用サンプルの包含に適する領域を通過した後に受信するように配置される、先に述べたようなテラヘルツ放射線受信機と、パルスを発生するための第１のレーザ光源と、連続する放射線を発生するための第２および第３のレーザ光源であって、そのうちの何れか一方は同調可能であり、前記第２および第３の光源により発せられる放射線間の周波数差は１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内で変わることができる第２および第３のレーザ光源と、前記第１のレーザ光源によって発せられる放射線、または前記第２および第３のレーザ光源によって発せられる放射線の重畳の何れかを前記送信機および受信機の光伝導ゾーン上へ選択的に方向づけるための光学セットアップとを備えるテラヘルツ分光計も提供し、前記光学セットアップは、前記第１の光源によって発せられかつ前記送信機の光伝導ゾーンへ方向づけられるレーザパルスと、同様に前記第１のレーザ光源によって発せられかつ前記受信機の光伝導ゾーンへ向けて方向づけられるレーザパルスとの間に可変時間オフセットを導入するための遅延線を含む。

また本発明は、先に定義したようなアンテナの製造方法も提供し、本方法は下記のステップ、即ち、
・グランド面と、少なくとも２つの導電ストリップを呈するプレーナ導波路とを製造するステップであって、前記少なくとも２つの導電ストリップの一方は、誘電体基板または半導体基板の「上」面上へ第１のメタライゼーション層を蒸着することによって前記グランド面へ接続されるステップと、
・前記グランド面上へ犠牲層を蒸着するステップと、
・前記犠牲層上へ第２のメタライゼーション層を蒸着することによって、前記導波路の少なくとも１つのもう一方の導電ストリップへ接続される導電リボンを製造するステップと、
・前記犠牲層をエッチングして前記導電リボンを剥離するステップと、
を含む。

特定の実装において、
・本方法は、前記メタライゼーション層の蒸着に先行して、前記導電リボンと前記プレーナ導波路の前記もう一方の導電ストリップとの間に電気的および機械的接続部を製造できるように、前記犠牲層に開口を作るステップも含んでもよい。

・前記第２のメタライゼーション層は、前記導電リボンを、それが０．１μｍから５０μｍまでの範囲内の、好適には１μｍから１０μｍまでの範囲内の厚さを呈するように形成してもよい。

・本方法は、前記導電リボンを持ち上げるステップも含んでもよい。

・本方法は、前記導電リボンを前記グランド面から離隔して保持するスペーサを製造するステップも含んでもよい。具体的には、このステップは、導電リボンとグランド面との間に蝋の液滴を液体状態で蒸着し、次いでこれを硬化させることを含んでもよい。

・本方法は、前記誘電体基板または半導体基板上へ１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内の周波数の電磁信号を発生しかつ／または検出するためのデバイスを集積するステップも含んでもよく、前記デバイスは、リボンおよびグランド面によって形成される放射構造体へ前記プレーナ導波路によって接続される。

本発明の他の特徴、詳細および利点は、以下の説明を、例として示される添付図面を参照して読むことにより明らかとなる。

本発明による集積アンテナの立面図 本発明による集積アンテナの側面図 本発明による集積アンテナの平面図 本発明によるアンテナおよび送信機および／または受信機デバイスの動作を実証するための実験を示す図である。 前記実験の結果を示すグラフである。 前記実験の結果を示すグラフである。 図１から図３までのアンテナを製造する方法ステップを示す。 図１から図３までのアンテナを製造する方法ステップを示す。 図１から図３までのアンテナを製造する方法ステップを示す。 図１から図３までのアンテナを製造する方法ステップを示す。 図１から図３までのアンテナを製造する方法ステップを示す。 図１から図３までのアンテナを製造する方法ステップを示す。 図１から図３までのアンテナを製造する方法ステップを示す。 本発明の別の変形例におけるアンテナを示す断面図である。 本発明によるアンテナの使用を基礎とするテラヘルツ分光計を示すブロック図である。

テラヘルツ領域で動作する、かつ先行技術において知られる集積アンテナは主として平面型であるが、本発明は、標準的なフォトリソグラフィ技術を使用して絶縁体基板または半導体基板上へ製造される三次元アンテナに関する。より正確に言えば、本アンテナは横方向電磁波ホーン型であり、即ちこれは、角βによって分離される２枚の重畳された導電シートで製造されるフレア導波路によって構成される。

図１から図３までに示す実施形態において、横方向の電磁波ホーンを構成する２枚の導電シートは、絶縁基板または半導体基板ＳＢの表面Ｓ上に蒸着されるグランド面ＧＰと、前記グランド面より上で延びて前記グランド面との間に角βを形成する導電リボンＣＲとを備える。リボンＣＲは略平面であって、２αの頂点角度を有する三角形状である。グランド面ＧＰおよびリボンＣＲは、長手方向ｘに沿って一定である、かつαおよびβにのみ依存するインピーダンスの導波路を形成する。考察しているこの例では、リボン全長Ｌ＝３ｍｍの場合でα＝２３．４゜およびβ＝９．８゜であり、よって、特性インピーダンスは５０オーム（Ω）に近くなり、全長はＨ＝５２０μｍおよびリボンの端における幅はＷ＝２．６ｍｍになる。

特性インピーダンスは、Ｗ＞Ｈのとき、かつ１に等しい誘電率を有する誘電体に関して有効である次の近似式、

によって計算されてもよい。

上述の式は、５０゜未満の角度αおよびβによってよい結果を出す。より一般的な計算方法および計算チャートは、Ｒ．Ｔ．Ｌｅｅらによるアンテナと伝搬に関するＩＥＥＥ会報（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）第５２巻、３１５ページ（２００４年）、に記述されている。

原理上は、角度αおよびβは、０゜を超える９０゜未満までの範囲内で、制限値を含まない任意の値を有してもよい。しかしながら、角度αは好適には５゜から７０゜までの範囲内であり、角度βは５゜から４５゜までの範囲内である。

リボンＣＲの長さは、アンテナの低い遮断周波数を決定することから重要なパラメータである。この長さは、概して１００μｍから１０ｍｍまでの範囲内であり、好適には５００μｍから５ｍｍまでの範囲内である。

高い遮断周波数は、アンテナが一定形状の幾何学的形態であり続ける最小の幾何学的スケールに依存する。リボンＣＲが完全な三角形であって、その先端でプレーナ導波路Ｇへ接続されていれば、その帯域幅は理論上無限となる（実際には、唯一、使用される材料固有の物理的特性によって制限される）。実際に製造され得る構造体では、高い遮断周波数は本質的に、リボンＣＲと導波路Ｇとの接続部の有限幅によって決定される。

導電リボンＣＲの形状は三角形である必要はなく、例えばその幅Ｗは、その縦座標ｘに非線形的に依存する可能性もある。さらに、リボンＣＲは平面である必要はなく、曲りまたは反りを呈する可能性もある。即ち、後に詳述するように、実際には、デバイスの製造中に蓄積する内部応力に起因して少量の曲りを回避することは困難である。しかしながら、ブロードバンドアンテナの達成が望まれる場合、放射構造体ＲＳは全てのスケールで同じ幾何学的形状を呈する必要があり、言い換えれば、幅対高さ比Ｗ（ｘ）／Ｈ（ｘ）は可能な限り一定のままでなければならない。この比Ｗ（ｘ）／Ｈ（ｘ）をほぼ一定に維持し、而して広帯域動作を達成するためには、内部応力により誘発される反りが存在する場合であっても、略三角形状であるが曲線状の側面を有するリボンＣＲを選択してこの比Ｗ（ｘ）／Ｈ（ｘ）をほぼ一定に保つことが可能である。

リボンＣＲは、十分な強度をもたらすために、例えば５μｍである、少なくとも数マイクロメートル程度の厚さεを有する高導電性材料（金、銅、．．．）で製造される。本構造体は、誘電体によって、またはリボンＣＲをグランド面ＧＰから離隔して保持するアームまたはスペーサによってすらもさらに立体的に製造されることが可能である。特に有効な技術は、溶融パラフィン蝋の液滴を使用してリボンを安定させることに存する。このような材料は、導入する損失が少ないこと、および屈折率が約１．５であって比較的低いことに起因してテラヘルツ応用に適する。

リボンＣＲおよびグランド面ＧＰによって形成される放射構造体は、３つの導電ストリップで構成されるプレーナ導波路Ｇへ接続される。即ち、第１のストリップＣＳ１はリボンＣＲへ接続されて送信用の信号または受信された信号を伝送し、一方で、前記第１のストリップの両側に対称的に配置される第２および第３のストリップＣＳ２およびＣＳ３はグランド面ＧＰへ接続される。リボンＣＲは第１のストリップＣＳ１の延長部であり、かつグランド面ＧＰは第２および第３のストリップを延長して一体化することにより構成される、と考えることは可能である。導波路Ｇの特性インピーダンスは、２つの構造体間の遷移における反射損失を回避するために、放射構造体ＲＳのものとほぼ等しいことが好都合である点は理解されるであろう。

説明している例では、３つのストリップは全て同じ幅Ｌ_１＝Ｌ_２＝Ｌ_３＝１０μｍであり、サイドストリップＣＳ２、ＣＳ３の各々と中央ストリップＣＳ１との間は６μｍの距離Ｄ_１２＝Ｄ_１３で離隔されている。導波路Ｇの合計幅は、反射損失を最小限に抑えるために可能な限り小さいものであるべきである。

リボンＣＲが表面Ｓから離れる点とグランド面ＧＰの後側との間の長さＬ_ｔは、導波路Ｇと放射構造体ＲＳとの間の遷移における反射損失を最小限に抑えるために最適化される必要がある別のパラメータである。原理上は、この長さは、製造上の制約への適合性およびリボンＣＲとグランド面ＧＰとの間の直接的な電気接触を回避する必要性への適合性に対応しつつ可能な限り短いものであるべきである。説明している例では、Ｌ_ｔは、極めて慎重に、２０μｍに等しくなるように選択されている。より良い結果は、例えばＬ_ｔ＝５μｍである数マイクロメートルの分離長さを使用すれば達成することができる。

基板ＳＢは、好適には特定のスペクトル領域において比較的低い損失を呈する、かつ放射捕獲の効果を最小限に抑えるために可能な限り低い屈折率を呈する誘電体材料または半導体材料で製造される。適切な基板の例は、半絶縁性ＡｓＧａ（図４から図６までの例に使用）、Ｓｉ、ＩＰ、ＳｉＣ、石英、ダイヤモンド、ガラス、他である。実際には、基板の選定は、第１に、技術上の考慮事項に関連づけられ、かつ第２に、テラヘルツ放射線を発生しかつ／または検出するための少なくとも１つの能動素子を同じ基板上へ集積する必要性に関連づけられる。能動素子は、基板ＳＢが半導体型であることを要求する光検出器、フォトダイオード、ＰＩＮダイオード、共鳴トンネル効果ダイオード、ショットキー接触ダイオード、等であってもよく、また単に、金属電極によりバイアスされる半導体材料の薄層であってもよい。特に、光伝導性の発生器またはフランツ−ケルディッシュ効果検出器を使用する場合には、ほぼ絶縁性である、例えば石英またはガラス製である基板を使用することが可能である。

本発明の非凡な態様は、放射線が基板内ではなく空気中へ直に発射されることにあり、カップリングレンズを使用する必要がない理由はこの点にある。さらに、基板の特性（誘電定数、損失、．．．）の重要性は先行技術デバイスの場合より小さく、よって設計者には、技術的観点から最も適する材料を選択する際に、かつ／または能動素子を製造するために画策するより多くの余地が残される。

一見すると、本発明によるアンテナは、Ｊ−Ｃ．Ｌａｎｇｅｒ他著の論文「塑性変形磁気作動を使用する微細機械加工式再構成可能面外マイクロストリップパッチアンテナ（Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｐａｔｃｈ ａｎｔｅｎｎａ ｕｓｉｎｇ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｃｔｕａｔｉｏｎ）」ＩＥＥＥマイクロ波および無線コンポーネント書簡（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第１３巻第３号、１２０ページ（２００３年）、に記述されたアンテナに似ている。このアンテナは、誘電体基板の上面より上で延びると同時に前記上面に対してある角度を形成する略長方形形状の導電プレートと、同じ基板の底面上へ蒸着される導電性のグランド面とによって形成される放射構造体を呈する。上面上のプレートおよび底面上のグランド面は、実際には、アンテナへ信号を運ぶマイクロストリップ伝送線路の延長部である。正確に言えば、このアンテナはホーン型ではなく、むしろマイクロストリップアンテナの変形を構成する。その結果、これは、２５ＧＨｚから２８ＧＨｚまでを中心とする約５％の比較的狭い帯域、即ち、テラヘルツ領域から遠隔である周波数を呈する。さらに、どのマイクロストリップアンテナでもそうであるように、基板は放射に寄与する。これは、考察しているスペクトル領域（センチメートル波）では障害にならないが、マイクロストリップアンテナをテラヘルツ周波数で使用しようとすれば、伝送波に対する極めて高い損失および顕著なガイド効果を招くことにもなる。

図４は、光伝導型である本発明のモノリシック送信機および／または受信機システムを示す図である。このようなシステムは、先に述べたタイプのアンテナと、テラヘルツ放射線を発生するための能動デバイスＧＥＮと、テラヘルツ放射線を検出するための能動デバイスＤＥＴとによって構成され、これらのデバイスは、プレーナ導波路Ｇによって放射構造体ＲＳへ接続される。ある実証的な実験では、図４のシステムは、アンテナと、アンテナから数ミリメートルの距離に位置づけられる反射標的Ｃとの距離を測定するためのモノスタティックレーダとして使用されてきている。

発生器デバイスＧＥＮは、単に、低温でエピタキシャル成長されかつ導波路Ｇの導電ストリップＣＳ１、ＣＳ２およびＣＳ３上へ蒸着されて直流発生器ＤＣＢによりＣＳ１とＣＳ２／ＣＳ３との間に印加される６０ボルト（Ｖ）の直流電圧によってバイアスされるＧａＡｓ層によって構成される。平衡状態下では、ＧａＡｓ膜はほぼ絶縁性であり、１２０フェムト秒（ｆｓ）の持続時間およびＴｉ：サファイアレーザにより発生されるような８１０ナノメートル（ｎｍ）の波長を有するレーザパルスＬＰ１がこれを約１ピコ秒（ｐｓ）の時間期間にわたって、即ち電荷キャリアの寿命にわたって導電性にする。導電性のこの突然の変化は、同じく約１ｐｓの持続時間を有する単極電流パルスＴＨｚ−Ｐを発生させ、よって、テラヘルツ周波数まで拡張するスペクトルを示す。このパルスＴＨｚ−Ｐは導波路Ｇに沿って伝搬し、ホーンＲＳによって空間内へ放射される。案内されるパルスＴＨｚ−Ｐは単極であっても、放射されるパルスＴＨｚ−Ｐ’はそうでないことが分かる。これは、電磁気学の法則による周知の帰結である。

発生器ＧＥＮは、ストリップＣＳ２、ＣＳ３を中断する２つのＳｉ_３Ｎ_４ベースのキャパシタ（不図示）を介してグランド面ＧＰへ接続される。バイアス電圧がリボンＣＲとグランド面ＧＰとの間に直に印加されるとすれば、これらの２エレメント間に静電力が作用し、これらを互いの方向へ移動させる場合もある。

パルスＴＨｚ−Ｐ’は空間内を導電プレートで構成される標的Ｃへ伝搬し、導電プレートはこのパルスをアンテナの方向へ反射して返す。反射されたパルスは、導波路Ｇの導電ストリップＣＳ１、ＣＳ２およびＣＳ３上へ蒸着されたＡｌ_０．０８Ｇａ_０．９２Ａｓ層によって構成される検出器ＤＥＴを使用して光学的に検出される。発生パルスＬＰ１の時間オフセットされたレプリカであるレーザパルスＬＰ２は前記層へ向かって方向づけられ、部分的に反射される。フランツ−ケルディッシュ効果に起因して、反射係数は、直流バイアス電圧とテラヘルツ信号とを重畳することによって与えられるような検出器内の瞬間的電界に依存する。従って、発生レーザパルスＬＰ１と検出パルスＬＰ２との間の時間遅延を変えることにより、アンテナにより反射されてピックアップされるパルスＴＨｚ−Ｐ’は、ポンプ−プローブの原理に基づいて、サブピコ秒の時間分解能でサンプルされることが可能である。

この実験においてテラヘルツパルスを発生しかつ検出するための技術は、下記の論文、即ち、
Ｊ−Ｆ．Ｌａｍｐｉｎ他著「内在的フランツ−ケルディッシュ効果を使用するピコ秒電気パルスの検出（Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ ｅｆｆｅｃｔ）」応用物理学書簡（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）７８、４１０３（２００１年）、および、
Ｌ．Ｄｅｓｐｌａｎｑｕｅ他著「低温成長ＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓの後処理接着を使用するテラヘルツパルスの発生と検出（Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｐｕｌｓｅｓ ｕｓｉｎｇ ｐｏｓｔ−ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｂｏｎｄｉｎｇ ｏｆ ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｇｒｏｗｎ ＧａＡｓ ａｎｄ ＡｌＧａＡｓ）」応用物理学書簡（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）８２、２０４９（２００４年）、にさらに詳しく記述されている。

ある変形例においては、連続的なテラヘルツ放射線を発生することが可能である。これを行うためには、レーザパルスＬＰ１を使用する代わりに、発生されるべき放射線の周波数に等しい周波数差を与える２つの連続するレーザビームが使用される。２つのレーザビーム間のビートを利用するこの技術は「光混合発生」として知られ、Ｅ．Ｒ．Ｂｒｏｗｎ、Ｋ．Ａ．ＭｃＩｎｔｏｓｈ、Ｋ．Ｂ．ＮｉｃｈｏｌｓおよびＣ．Ｌ．Ｄｅｎｎｉｓ共著の論文「低温成長ＧａＡｓにおける３．８ＴＨｚまでの光混合（Ｐｈｏｔｏｍｉｘｉｎｇ ｕｐ ｔｏ ３．８ＴＨｚ ｉｎ ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｇｒｏｗｎ ＧａＡｓ）」応用物理学書簡（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ）第６６巻、２８５ページ（１９９５年）、に記述されている。

光混合は、ホモダイン検出として知られる技術を使用してテラヘルツ放射線を検出するためにも使用されることが可能である。Ｇ．Ｍｏｕｒｅｔ、Ｓ．Ｍａｔｔｏｎ、Ｒ．Ｂｏｃｑｕｅｔ、Ｄ．Ｂｉｇｏｕｒｄ、Ｆ．Ｈｉｎｄｌｅ、Ａ．Ｃｕｉｓｓｅｔ、Ｊ−Ｆ．ＬａｍｐｉｎおよびＤ．Ｌｉｐｐｅｎｓ共著の論文「光混合によるテラヘルツ周波数領域内異常分散の測定（Ａｎｏｍａｌｏｕｓ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｇｉｏｎ ｂｙ ｐｈｏｔｏｍｉｘｉｎｇ）」応用物理学書簡（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ）第８８巻、１８１１０５（２００６年）、を参照されたい。

ある変形例では、ボロメータを使用して連続性のテラヘルツ放射線を検出することができる。

図５は、プローブの衝撃ＬＰ２の電界吸収信号（任意単位ａ．ｕ．）をポンプ−プローブ遅延（単位ｐｓ）の関数として示す。最初のピークＰ_１は、導波路Ｇにより発生器ＧＥＮから検出器ＤＥＴへ直に導かれる電気テラヘルツパルスＴＨｚ−Ｐに対応する。即ち、ピークＰ_２およびＰ_３は各々、導波路ホーン遷移Ｇ−ＲＳから、およびホーン端部からの干渉反射に対応し、一方でピークＰ_４は事実上、送信され、反射されかつ検出されるパルスＴＨｚ−Ｐ’に対応する。囲みに描かれた拡大図は、ホーン端部から５．５ｍｍ（点線）および７．５ｍｍ（灰色の実線）における標的Ｃの２つの位置についてのピークＰ_４、およびホーンが存在しない場合（黒の実線）のピークＰ_４の詳細を示す。ピークＰ_４のサブピコ秒の上昇時間（１０％から９０％まで約７００ｆｓ）は、本発明によるアンテナの低分散を実証している。このような低分散は、横方向電磁波ホーンアンテナに特徴的である。

反射パルスのフーリエ変換を入射パルスのフーリエ変換で分割することにより、アンテナの反射係数を周波数の関数、即ち│Ｓ_１１（ｆ）│、として取得することが可能である。図６に示すように、この反射係数は、６５ＧＨｚから１７００ＧＨｚ（１．７ＴＨｚ）まで広がる帯域にわたってほぼ−１０デシベル（ｄＢ）未満であり、本発明によるアンテナの超広帯域動作を実証している。

導波路Ｇに沿う伝搬に起因する損失は、８００ＧＨｚまでの周波数では４ｄＢに推定され、将来的には、より低い誘電率を有する石英等の基板を選択することによって低減されてもよい。

図７Ａから図７Ｇは、本発明による集積アンテナを製造する方法における様々なステップを示す。まず、図７Ａから図７Ｂは、基板ＳＢ上に第１の金属層ＭＥが蒸着され、かつ従来の超小型電子技術によってエッチングされて導波路Ｇの導電ストリップＣＳ１〜ＣＳ３およびグランド面ＧＰが製造されることを示す。この後、図７Ｃは、金属層ＭＥが感光性樹脂の犠牲層によって覆われ、犠牲層内部の導電リボンＲＣと中央の導電ストリップＣＳ１との間の後の電気的および機械的接続位置に開口が形成されることを示す。犠牲層ＳＡＣ上には、実質的に第１の層ＭＥより厚い第２の金属層ＭＥ２が蒸着され（図７Ｅ）、導電リボンＣＲが形成される。層ＭＥ２の厚さεは、経験的に決定される。この厚さは、リボンＣＲが基板により支持されなくなっても十分に強力であることを保証するに足るものであると共に、層ＭＥ２に内在する応力が層ＭＥ２へ過剰な曲りを与えることを回避するに足るものである必要がある。但し、このような曲りは厚さεに反比例する。同時に、所定量の曲りは、アンテナが剥離されることを保証するために不可欠であることが発見されている。即ち、厚すぎる層ＭＥ２はグランド面ＭＥに付着し、よって、リボンＣＲの上昇を妨げることになる。

最後に、図７Ｆに示すように、リボンＣＲは、前記犠牲層ＳＡＣをアンダーエッチングすることによって剥離される。よって先に述べた内部応力は、リボンＣＲを、リボンＣＲが剥離されると直ぐに上昇させる。しかしながら、概して、リボンＣＲは所望される角度βに達するほど十分には上昇せず、よって、例えばマイクロマニピュレータを使用してリボンＣＲに作用することが必要である。任意選択として、放射構造体ＲＳを安定化する追加のステップを、具体的には、グランド面ＧＰと導電リボンＣＲとの間に流動パラフィンの液滴を蒸着することによって準備することが可能であり、凝固に際して、この液滴は、アンテナを硬くする誘電体スペーサＳＲを形成する（図７Ｇ）。

ある変形例では、図８に示すように、アンテナの構造体は、グランド面ＧＰと導電リボンＣＲとの間に置かれかつ接着剤または蝋付けにより固定されるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製キューブ等の誘電体パッドＤＰによって支持されてもよく、蝋付けを使用する場合、前記パッドの上面および／または底面に、例えば銅製である金属被膜ＭＣ、ＭＣ’が施される必要がある。接着剤を使用する場合でも、テラヘルツ放射線を接着剤から分離することにおいてこのような被膜は有益である可能性があり、そうでなければ、大きい損失を発生させる危険を冒すことになる。蝋付けＢＲの使用は、特に好都合であることが発見されている。溶融金属は、凝固する際に導電リボンＣＲ内に張力を生じさせ、これにより、導電リボンＣＲを真っ直ぐにし、よってアンテナの電磁特性を向上させる。しかしながら、上述のタイプのスペーサが使用される場合でも、電気誘電率を前記空間内で均一にするために、グランド面と導電リボンとの間の空間を蝋で満たすことは有益である可能性がある。

テラヘルツ放射線を発生しかつ／または検出するための能動デバイスは、アンテナと同時に、恐らくは製造方法ステップの幾つか（具体的には、メタライゼーションステップ）を共有して製造されてもよい。ある変形例では、これらのデバイスはアンテナより前、または後に製造されてもよい。

テラヘルツ放射線の最も有望な応用の１つは、例えば汚染を識別するための、具体的にはガスの分光分析である。具体的には、２つの分光技術を使用することができる。

第１の可能性は、フーリエ変換による分光計測を実行するために短い、よって広帯域であるテラヘルツパルスを使用することに存する。この技術は高速であるが、スペクトル分解能が低い（典型的には、およそ数ＧＨｚ）。典型的には、このタイプの応用にはダイポールアンテナが使用される。

もう１つの可能性は、先に述べたような光混合技術を使用することにより取得される同調可能な連続性のテラヘルツ放射線を使用することに存する。このようにして取得されるテラヘルツ放射線の低電力は、螺旋アンテナまたはこれに類似するものの使用を余儀なくしている。この技術は、分光計測を高分解能（数ＭＨｚまたはこれ以下でも）で実行することを可能にするが、広い周波数領域の走査は長時間を必要とする。

本発明によるアンテナは、テラヘルツパルスの送受信に適する、かつ同調可能な連続放射線の送受信にも適する電磁特性を呈する。これは、上述の両技術双方の利点を結合する分光計を提供することを可能にする。

図９に図示する構造であるこのような分光計は、
・例えば図４に示す型式のテラヘルツ送信機ＴＲと、
・同様に図４に示す型式であってもよいテラヘルツ検出器ＤＥと、
・分析用サンプル（典型的には、ガス）を収容するための分析セルＡＣであって、前記セルは送信機と検出器との間に配置される分析セルＡＣと、
・パルスレーザ光源Ｌ１と、
・少なくとも一方は同調可能である、２つの連続するレーザ光源Ｌ２およびＬ３と、
・前記パルスレーザ光源によって、または前記連続するレーザ光源によって発生されるレーザ放射線を前記テラヘルツ送信機および検出器の光伝導性素子上へ選択的に方向づけるための光学セットアップと、を備える。検出器のための光学セットアップは、遅延線ＤＬを含む。

セルＡＣに含まれるサンプルのスペクトルを分析するために、手順は、パルス条件下で実行される一連の計測によって開始される。光源Ｌ１により発生されるレーザパルスは、図４を参照して先に説明したように、テラヘルツ放射線の発生および検出に等しく良好に役立つ。遅延線ＤＬは、発生パルスと検出パルスとの間に可変オフセットを導入し、即ち、このオフセットの値を走査することにより、検出器ＤＥにより受信されるテラヘルツパルスの時間形状を構成し直すことが可能である。従って、広帯域および低分解能スペクトルは、フーリエ変換によって計算することができる。

この第１の段階は、サンプルの特徴付けに使用できる吸収線が位置づけられる周波数領域を識別する働きをする。次に、これらの領域においてのみ高分解能スペクトルを達成するために、レーザ光源Ｌ２およびＬ３を使用して、連続する分光計測がこれらの領域においてのみ実行される。この第２の段階の間、遅延線ＤＬにより導入される時間オフセットは不変に保たれることが可能である。

言い換えれば、低分解能パルス分光学による第１の段階は「関心のある」周波数領域を識別する働きをし、この後、これらの領域において高分解能捕捉が実行される。

図９が単に、本発明による分光計の１つの可能な実施形態を表すものであることは理解されるであろう。ある変形例では、単一デバイスの送信機および受信機双方としての使用を予見することが可能であり、テラヘルツ放射線は、セルＡＣの背後に位置決めされるスクリーンによって反射される。さらに、連続計測の間は、ボロメータを使用して放射線検出を実行することができる。

Claims (19)

1. １００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの周波数範囲で放射線を送信する、または受信するための集積アンテナであって、
   ・誘電体基板または半導体基板（ＳＢ）の「上」面（Ｓ）上に蒸着される導電性のグランド面（ＧＰ）と、
   ・前記グランド面（ＧＰ）より上で延びかつ前記グランド面（ＧＰ）との間で横方向電磁波ホーン型の放射構造体（ＲＳ）を形成するように角度（β）を形成する導電リボン（ＣＲ）と、
   ・前記基板上面上に形成されかつ各々前記導電リボン（ＣＲ）および前記導電性のグランド面（ＧＰ）へ接続される少なくとも第１および第２の導電ストリップ（ＣＳ１、ＣＳ２）を備え、１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内の周波数の放射線を導くプレーナ導波路（Ｇ）と、
   を備え、
   前記導電リボンは、前記導電性のグランド面（ＧＰ）から電気的に絶縁されて、かつ前記誘電体基板または前記半導体基板の前記面上に位置する端を有することを特徴とする集積アンテナ。
2. 前記導電リボン（ＣＲ）の幅（Ｗ）および前記グランド面（ＧＰ）からのその距離（Ｈ）は長手方向（ｘ）へ変わり、前記幅と前記距離との比は、前記プレーナ導波路（Ｇ）と、前記リボンおよび前記グランド面によって形成される放射構造体（ＲＳ）との間のインピーダンス整合を達成するように選択される、請求項１記載のアンテナ。
3. 前記導電リボンの幅（Ｗ）の前記グランド面からのその距離（Ｈ）に対する前記比は、前記導電リボンの長さの少なくとも一部にわたって一定に維持される、請求項２記載のアンテナ。
4. 前記導電リボンの幅（Ｗ）および前記グランド面からのその距離（Ｈ）は前記長手方向（ｘ）に沿って直線的に増加する、請求項３記載のアンテナ。
5. 前記導電リボン（ＣＲ）は、頂点における半角（α）が５゜から７０゜までの範囲内の略三角形状である、請求項４記載のアンテナ。
6. 前記導電リボン（ＣＲ）と前記グランド面（ＧＰ）との間の角度（β）は５゜から４５゜までの範囲内である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のアンテナ。
7. 前記プレーナ導波路（Ｇ）は、同じく前記グランド面（ＧＰ）へ接続される第３の導電ストリップ（ＣＳ３）も含み、前記第２および第３の導電ストリップ（ＣＳ２およびＣＳ３）は前記第１の導電ストリップ（ＣＳ１）の両側に対称配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のアンテナ。
8. 前記グランド面（ＧＰ）より上で延びて前記グランド面（ＧＰ）に対してある角度（β）を形成する前記導電リボン（ＣＲ）は、１００μｍから１０ｍｍまでの範囲内の、かつ好適には５００μｍから５ｍｍまでの範囲内の長さを呈する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のアンテナ。
9. 前記導電リボンを前記グランド面から離隔して保持するための少なくとも１つのスペーサ（ＳＲ）も含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載のアンテナ。
10. テラヘルツ送信機であって、
    ・請求項１〜９のいずれか一項に記載のアンテナと、
    ・１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内の周波数で電磁信号を発生するための、前記アンテナと同じ誘電体基板または半導体基板（ＳＢ）上に集積される少なくとも１つの発生器デバイス（ＧＥＮ）と、を備え、
    ・前記アンテナのプレーナ導波路（Ｇ）は、前記電磁信号を前記発生器デバイス（ＧＥＮ）から前記リボン（ＣＲ）および前記グランド面（ＧＰ）によって形成される前記放射構造体（ＲＳ）まで運ぶように配置されるテラヘルツ送信機。
11. テラヘルツ受信機であって、
    ・請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のアンテナと、
    ・１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内の周波数の電磁信号を検出するための、前記アンテナと同じ誘電体基板または半導体基板（ＳＢ）上に集積される少なくとも１つの検出器デバイス（ＤＥＴ）と、備え、
    ・前記アンテナのプレーナ導波路（Ｇ）は、前記電磁信号を前記リボン（ＣＲ）および前記グランド面（ＧＰ）によって形成される前記放射構造体（ＲＳ）から前記検出器デバイス（ＤＥＴ）まで運ぶように配置されるテラヘルツ受信機。
12. テラヘルツ分光計であって、
    ・光伝導型である、請求項１０記載のテラヘルツ放射線送信器（ＴＲ）と、
    ・同じく光伝導型であって、前記送信機によって発生されるテラヘルツ放射線を、前記放射線が分析用サンプルの包含に適する領域（ＣＡ）を通過した後に受信するように配置される、請求項１１記載のテラヘルツ放射線受信機（ＤＥ）と、
    ・パルスを発生するための第１のレーザ光源（Ｌ１）と、
    ・連続する放射線を発生するための第２および第３のレーザ光源（Ｌ２、Ｌ３）であって、そのうちの何れか一方は同調可能であり、前記第２および第３の光源により発せられる放射線間の周波数差は１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内で変わることができる第２および第３のレーザ光源（Ｌ２、Ｌ３）と、
    ・前記第１のレーザ光源（Ｌ１）によって発せられる放射線、または前記第２および第３のレーザ光源（Ｌ２、Ｌ３）によって発せられる放射線の重畳の何れかを前記送信機および受信機の光伝導ゾーン（ＧＥＮ、ＤＥＴ）上へ選択的に方向づけるための光学セットアップと、を備え、
    ・前記光学セットアップは、前記第１の光源（Ｌ１）によって発せられかつ前記送信機（ＴＲ）の光伝導ゾーン（ＧＥＮ）へ方向づけられるレーザパルスと、同様に前記第１のレーザ光源（Ｌ１）によって発せられかつ前記受信機（ＤＥ）の光伝導ゾーン（ＤＥＴ）へ向けて方向づけられるレーザパルスとの間に可変時間オフセットを導入するための遅延線（ＤＬ）を含むテラヘルツ分光計。
13. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のアンテナの製造方法であって、
    ・グランド面（ＧＰ）と、少なくとも２つの導電ストリップを呈するプレーナ導波路（Ｇ）とを製造するステップであって、前記少なくとも２つの導電ストリップの一方は、誘電体基板または半導体基板（ＳＢ）の「上」面（Ｓ）上へ第１のメタライゼーション層（ＭＥ）を蒸着することによって前記グランド面へ接続されるステップと、
    ・前記グランド面（ＧＰ）上へ犠牲層（ＳＡＣ）を蒸着するステップと、
    ・前記犠牲層（ＳＡＣ）上へ第２のメタライゼーション層（ＭＥ２）を蒸着することによって、前記導波路の少なくとも１つのもう一方の導電ストリップへ接続される導電リボン（ＣＲ）を製造するステップと、
    ・前記犠牲層（ＳＡＣ）をエッチングして前記導電リボン（ＣＲ）を剥離するステップと、
    を含む方法。
14. 前記メタライゼーション層（ＭＥ）の蒸着に先行して、前記導電リボン（ＣＲ）と前記プレーナ導波路（Ｇ）の前記もう一方の導電ストリップとの間に電気的および機械的接続部を製造できるように、前記犠牲層（ＳＡＣ）に開口（Ｏ）を作るステップも含む、請求項１３記載の方法。
15. 前記導電リボン（ＣＲ）を形成する前記第２のメタライゼーション層（ＭＥ２）は、０．１μｍから５０μｍまでの範囲内の、好適には１μｍから１０μｍまでの範囲内の厚さを呈する、請求項１３または請求項１４記載の方法。
16. 前記導電リボン（ＣＲ）を持ち上げるステップも含む、請求項１３から請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記導電リボン（ＣＲ）を前記グランド面（ＧＰ）から離隔して保持するスペーサ（ＳＲ）を製造するステップも含む、請求項１３から請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記スペーサ（ＳＲ）を製造するステップは、前記導電リボン（ＣＲ）と前記グランド面（ＧＰ）との間に蝋の液滴を液体状態で蒸着し、次いでこれを硬化させることを含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記誘電体基板または半導体基板（ＳＢ）上へ１００ＧＨｚから３ＴＨｚまでの範囲内の周波数の電磁信号を発生しかつ／または検出するためのデバイス（ＧＥＮ）および／または（ＤＥＴ）を集積するステップも含み、前記デバイスは、前記リボン（ＣＲ）および前記グランド面（ＧＰ）によって形成される前記放射構造体（ＲＳ）へ前記プレーナ導波路（Ｇ）によって接続される、請求項１３から請求項１８のいずれか一項に記載の方法。

Images