JP5384463B2

JP5384463B2 - 光伝導アンテナ及びテラヘルツ波発生方法

Info

Publication number: JP5384463B2
Application number: JP2010241108A
Authority: JP
Inventors: 和良黒柳
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: WO2012056784A1; JP2012094705A

Description

本発明は、例えばテラヘルツ波を用いた分光計測に用いられる光伝導アンテナ、及びこのような光伝導アンテナを用いたテラヘルツ波発生方法に関する。

この種の光伝導アンテナは、一般的な構成として、半導体層上に形成された電極を備えている。この電極は、テラヘルツ波の発生又は検出を行うアンテナ領域を形成するアンテナ部と、アンテナ部の端部に設けられ、外部電源に電気的に接続されるパッド部とを有している。従来、分光計測に用いられる光伝導アンテナでは、テラヘルツ波の発生効率を高めるために電極を複数設けた多電極型の光伝導アンテナが用いられてきている（例えば特許文献１及び非特許文献１，２参照）。

特開２００７―３２４３１０号公報

A. Dreyhaupt, S. Winnerl, T. Dekorsy, andM. Helm, Appl. Phys. Lett. 86, 121114 (2005) M. Awad, M. Nagel, H. Kurz, J. Herfort, andK. Ploog, Appl. Phys. Lett. 91, 181124 (2007)

ところで、非特許文献１に記載の光伝導アンテナでは、発生するテラヘルツ波の極性が電極毎に反転して出力が打ち消されることを防止するため、一つおきの電極間にポンプ光を遮光する遮光マスクを配置している。しかしながら、この構成では、テラヘルツ波の発生に貢献しないデッドエリアが遮光マスクによって形成され、素子面積に対してデッドエリアが占める割合も看過できず、結果としてテラヘルツ波の発生効率が十分に得られないおそれがある。

また、非特許文献２に記載の光伝導アンテナでは、結晶成長を行った基板から光吸収層を分離し、これを別の絶縁性基板に取り付ける際に一つおきの電極間を切り離している。しかしながら、この構成では、光伝導アンテナ素子を作製する工程が複雑化するという問題がある。また、電極間の切り離し部分がデッドエリアとなるため、非特許文献１の場合と同様に、テラヘルツ波の発生効率が十分に得られないおそれがある。

これに対し、特許文献１に記載の光伝導アンテナでは、ストライプ状に凹凸を設けたガラス板にポンプ光を入射させることによって各電極に入射するポンプ光の到達時刻を調整し、デッドエリアの形成を回避しつつ、発生するテラヘルツ波の極性が電極毎に反転して出力が打ち消されることを防止している。しかしながら、この構成では、一つおきの電極に入射されるポンプ光の到達時間差をガラス厚で実現しなければならないという問題がある。

この点につき、時間領域での１ｐｓは、光路長差３００μｍに相当するが、例えば屈折率１．５のガラスで屈折率１．０の空気との間に３００μｍの光路長差を形成しようとすれば、約６００μｍの厚さのガラス板を用意する必要がある。通常、光伝導アンテナにおける電極の間隔は数１０μｍ程度であり、より大きな光路長差を実現するには、数１０μｍ×数ｍｍオーダーの高いアスペクト比を有するガラス板が必要となるが、このようなガラス板の作製は現実には困難である。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡易な構成でデッドエリアを低減できる光伝導アンテナ、及びこのような光伝導アンテナを用いたテラヘルツ波発生方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る光伝導アンテナは、テラヘルツ波を発生又は検出する光伝導アンテナであって、半導体層と、半導体層上に所定の間隔を持って複数配列された電極と、を備え、電極は、テラヘルツ波を発生又は検出するアンテナ領域を形成する線状のアンテナ部と、アンテナ部に接続され、電極の配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように外部電源からの電圧が印加されるパッド部と、を有していることを特徴としている。

この光伝導アンテナでは、各電極のパッド部に対し、電極の配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように外部電源からの電圧が印加される。これにより、発生するテラヘルツ波の極性が電極毎に反転して出力が打ち消されることを防止できる。この光伝導アンテナでは、従来のような遮光マスクや電極間の切り離し部分が存在しないので、電極自体を除いてデッドエリアが存在せず、テラヘルツ波の発生効率を十分に確保できる。また、光路長差を形成するためのガラス板を用いず、各電極に印加する電圧の調整によってテラヘルツ波の極性を調整しているので、構成の簡素化が図られる。

また、パッド部に対し、電極の配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように外部電源からの電圧を分配する電圧分配回路を備えたことが好ましい。こうすると、単一の電源で各電極間の電圧を自在に設定できる。

また、電圧分配回路は、電極間にそれぞれ接続された抵抗によって構成されていることが好ましい。この場合、簡単な構成で電圧分配回路を構成できる。

また、電圧分配回路は、電極間にそれぞれ接続されたツェナーダイオードによって構成されていることが好ましい。この場合、ツェナーダイオードによって各電極に印加される電圧を所望の値に制限できる。

また、ツェナーダイオードにコンデンサが並列接続されていることが好ましい。この場合、ツェナーダイオードで発生するノイズをコンデンサによって除去できる。

また、本発明に係るテラヘルツ波発生方法は、半導体層と、半導体層上に所定の間隔を持って複数配列された電極と、を備え、電極が、テラヘルツ波を発生又は検出するアンテナ領域を形成する線状のアンテナ部と、アンテナ部に接続されたパッド部と、を有する光伝導アンテナを用いたテラヘルツ波発生方法であって、電極の配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように外部電源からの電圧をパッド部に印加した状態で、アンテナ領域にポンプ光を入射させることを特徴としている。

このテラヘルツ波発生方法では、光伝導アンテナの各電極のパッド部に対し、電極の配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように外部電源からの電圧を印加する。これにより、発生するテラヘルツ波の極性が電極毎に反転して出力が打ち消されることを防止できる。このテラヘルツ波発生方法を用いる場合、光伝導アンテナに従来のような遮光マスクや電極間の切り離し部分を設ける必要がなくなり、光伝導アンテナにおいて電極自体を除くデッドエリアを存在させなくすることが可能となるので、テラヘルツ波の発生効率を十分に確保できる。また、光路長差を形成するためのガラス板を用いず、各電極に印加する電圧の調整によってテラヘルツ波の極性を調整しているので、光伝導アンテナの構成の簡素化が図られる。

また、電極を配列順にグループ分けし、各グループ毎に異なる電圧をパッド部に印加することが好ましい。この場合、ポンプ光の強度分布に対応して、発生するテラヘルツ波の強度分布を均一化できる。

また、電極のうち、中央側に位置する一の電極を接地電位とし、両端に位置する電極がそれぞれ最大正電圧及び最大負電圧となるように外部電源からの電圧をパッド部に印加することが好ましい。この場合、光伝導アンテナに印加される電圧の最大値・最小値を抑えることができる。これにより、放電等の発生を回避できる。

また、外部電源としてシグナルジェネレータを用い、シグナルジェネレータからの変調電圧をパッド部に印加することが好ましい。この場合、ポンプ光を変調する変調素子が不要となる。

本発明によれば、簡易な構成で光伝導アンテナのデッドエリアを低減できる。これにより、テラヘルツ波の発生効率を十分に向上させることが可能となる。

本発明に係る光伝導アンテナを適用してなる分光計測システムの構成例を示す図である。本発明の第１実施形態に係る光伝導アンテナを示す平面図である。図２に示した光伝導アンテナへの電圧分配回路を示す図である。本発明の第２実施形態に係る光伝導アンテナへの電圧分配回路を示す図である。本発明の第３実施形態に係る光伝導アンテナへの電圧分配回路を示す図である。本発明の第４実施形態に係る光伝導アンテナへの電圧分配回路を示す図である。本発明の第５実施形態に係る光伝導アンテナへの電圧分配回路を示す図である。シグナルジェネレータによる電圧の変調波形を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る光伝導アンテナ及びテラヘルツ波発生方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

［光伝導アンテナの適用例］
図１は、本発明に係る光伝導アンテナを適用してなる分光計測システムの構成例を示す図である。同図に示すように、分光計測システム１においては、フェムト秒パルスレーザを出射するレーザ光源１１が用いられる。レーザ光源１１から出射したレーザ光Ｌは、光路の途中でビームスプリッタ１２によってポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２とに分割される。ビームスプリッタ１２を透過したポンプ光Ｌ１は、ミラー１３、チョッパー１４、及び集光レンズ１５を経てテラヘルツ波発生アンテナ１６に入射する。一方、ビームスプリッタ１２で反射したレーザ光Ｌは、ミラー１７、光軸方向に移動可能なリトロリフレクタ１８、ミラー１９、及び集光レンズ２０を経てテラヘルツ波検出アンテナ２１に入射する。

テラヘルツ波発生アンテナ１６で発生したテラヘルツ波Ｔは、放物面鏡２２，２３によってテラヘルツ波検出アンテナ２１に入射し、プローブ光Ｌ２との間で相関作用を生じさせる。このとき、テラヘルツ波発生アンテナ１６には、直流電圧源（外部電源）２４からの電圧が印加され、テラヘルツ波検出アンテナ２１には、ロックインアンプ２５が接続される。そして、リトロリフレクタ１８が光軸に沿って移動することにより、テラヘルツ波Ｔとプローブ光Ｌ２との間の時間相関波形が得られ、当該波形がコンピュータ２６でフーリエ変換されることにより、テラヘルツ波Ｔのスペクトルが得られる。

次に、上述したテラヘルツ波発生アンテナ１６及びテラヘルツ波検出アンテナ２１について説明する。

［第１実施形態］
図２は、テラヘルツ波発生アンテナ１６及びテラヘルツ波検出アンテナ２１を構成する光伝導アンテナの第１実施形態を示す平面図である。同図に示すように、光伝導アンテナ３１は、半導体層３２の表面に複数の電極３３が形成された多電極型の素子である。半導体層３２は、例えば半絶縁性のＧａＡｓ基板にＭＢＥによって低温（２００℃〜３００℃）でエピタキシャル成長させたＧａＡｓ層であり、長さ約１０ｍｍ、幅約６ｍｍ、厚さ１μｍ〜１０μｍに形成されている。

電極３３は、ＡｕＧｅ／Ａｕ等のオーミック電極である。電極３３は、テラヘルツ波Ｔの発生及び検出を行うアンテナ領域Ａを形成する線状のアンテナ部３４と、アンテナ部３４の端部に接続されたパッド部３５とを有している。本実施形態では、半導体層３２の表面に６段の電極３３が形成され、幅が約６μｍのアンテナ部３４が約２０μｍの間隔をもってストリップラインを形成している。また、パッド部３５は、例えば長さ８００μｍ、幅８００μｍの矩形状をなしており、半導体層３２の表面の一方側に配列されている。

図３は、光伝導アンテナ３１への電圧分配回路３６を示す図である。同図に示すように、光伝導アンテナ３１の各段の電極３３には、電圧分配回路３６により、パッド部３５（図３において不図示）を介してそれぞれ直流電圧源２４が接続される。そして、各段の電極３３には、配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように直流電圧源２４からの電圧が印加される。すなわち、ｎ段目の電極３３に印加される電位をＶ_ｎとすると、Ｖ_ｎ＞Ｖ_ｎ−１となるように各段の電極３３に電圧が印加される。また、Ｖ_ｎ＝ｎ×（Ｖ_ｎ−Ｖ_ｎ−１）を更に満たすようにしてもよい。

なお、アンテナ部３４，３４間の間隔が約２０μｍの場合、各段の電極３３のダーク抵抗はおよそ数百ＭΩとなる。アンテナ領域Ａにポンプ光Ｌ１が入射すると、その抵抗値は、ポンプ光Ｌ１の強度にも依存するが、１ＭΩ程度まで低下する。各段の電極３３に数十Ｖ（例えば１０Ｖ〜５０Ｖ）の電圧を印加する場合には、所定の電圧を発生可能な直流電圧源２４を電極３３の段数に応じて用意する必要がある。

以上説明したように、この光伝導アンテナ３１では、各電極３３のパッド部３５に対し、電極３３の配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように直流電圧源２４からの電圧が印加される。これにより、発生するテラヘルツ波Ｔの極性が電極３３毎に反転して出力が打ち消されることを防止できる。この光伝導アンテナ３１では、従来のような遮光マスクや電極間の切り離し部分が存在しないので、電極３３自体を除いてデッドエリアが存在せず、テラヘルツ波Ｔの発生効率を十分に確保できる。また、光路長差を形成するためのガラス板を用いず、各電極３３に印加する電圧の調整によってテラヘルツ波Ｔの極性を調整しているので、構成の簡素化が図られる。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る光伝導アンテナへの電圧分配回路を示す図である。同図に示すように、第２実施形態に係る光伝導アンテナ４１は、各段の電極３３への電圧分配回路４６の構成が第１実施形態と異なっている。すなわち、光伝導アンテナ４１では、電極３３，３３間にそれぞれ接続された抵抗４７が単一の直流電圧源２４に接続されることによって電圧分配回路４６が構成されている。

電極３３，３３間の抵抗４７の抵抗値は、ポンプ光Ｌ１が入射したときの電極３３の抵抗値よりも十分に小さな値とすればよい。上述したように、アンテナ部３４，３４間の間隔が約２０μｍの場合、各段の電極３３のダーク抵抗はおよそ数百ＭΩとなり、アンテナ領域Ａにポンプ光Ｌ１が入射した場合の抵抗値は１ＭΩ程度まで低下する。したがって、電極３３の段数をｎとすれば、各抵抗４７の抵抗値は、例えば１００ｋΩとすればよい。

以上のような光伝導アンテナ４１においても、第１実施形態と同様に、簡素な構成で、テラヘルツ波Ｔの発生効率を十分に確保できる。また、抵抗４７の接続によって構成された電圧分配回路４６により、電極３３の段数に応じて直流電圧源２４を用意する必要がなくなり、単一の直流電圧源２４で各段の電極３３に印加される電圧を自在に設定できる。

［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態に係る光伝導アンテナへの電圧分配回路を示す図である。同図に示すように、第３実施形態に係る光伝導アンテナ５１は、各電極３３への電圧分配回路５６の構成が第１実施形態と更に異なっている。すなわち、光伝導アンテナ５１では、電極３３，３３間にそれぞれ接続されたツェナーダイオード５７が単一の直流電圧源２４に接続されることによって電圧分配回路５６が構成されている。また、各ツェナーダイオード５７には、コンデンサ５８がそれぞれ並列接続されている。

以上のような光伝導アンテナ５１においても、第１実施形態と同様に、簡素な構成で、テラヘルツ波Ｔの発生効率を十分に確保できる。また、ツェナーダイオード５７の接続によって構成された電圧分配回路５６により、各段の電極３３に印加される電圧を所望の値に制限できる。また、ツェナーダイオード５７で発生するノイズをコンデンサ５８によって除去できる。

［第４実施形態］
図６は、本発明の第４実施形態に係る光伝導アンテナへの電圧分配回路を示す図である。同図に示すように、第４実施形態に係る光伝導アンテナ６１は、各電極３３への電圧分配回路６６の構成が第１実施形態と更に異なっている。すなわち、光伝導アンテナ６１では、各段の電極３３を配列順にグループ（本実施形態ではＧ１，Ｇ２の２グループ）分けし、電圧分配回路６６によって各グループ毎に異なる電圧を印加している。

すなわち、光伝導アンテナ６１では、ｎ番目のグループＧｎのｍ段目の電極に印加される電圧をＶ_Ｇｎｍとすると、Ｖ_Ｇｎｍ＞Ｖ_{Ｇｎ（ｍ−１）}となるように各段の電極３３に電圧が印加される。また、Ｖ_Ｇｎｍ＝ｎ×（Ｖ_Ｇｎｍ−Ｖ_{Ｇｎ（ｍ−１）}）を更に満たすようにしてもよい。このような光伝導アンテナ６１においても、第１実施形態と同様に、簡素な構成で、テラヘルツ波Ｔの発生効率を十分に確保できる。また、光伝導アンテナ６１に入射するポンプ光Ｌ１に強度分布がある場合であっても、各電極グループに印加できる電圧を個別に設定できるため、その強度分布に対応して発生するテラヘルツ波Ｔの強度分布を均一化できる。

［第５実施形態］
図７は、本発明の第５実施形態に係る光伝導アンテナへの電圧分配回路を示す図である。同図に示すように、第５実施形態に係る光伝導アンテナ７１は、各電極３３への電圧分配回路７６の構成は第１実施形態と共通しているが、各電極３３のうち、中央側に位置する一の電極３３を接地電位とし、両端に位置する電極３３がそれぞれ最大正電圧及び最大負電圧となるように直流電圧源２４からの電圧をパッド部３５に印加するようになっている。このような光伝導アンテナ７６においても、第１実施形態と同様に、簡素な構成で、テラヘルツ波Ｔの発生効率を十分に確保できる。また、光伝導アンテナ７６に印加される電圧の最大値・最小値を抑えることができるので、放電等の発生を回避できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上述した実施形態では、図２に示したように、パッド部３５が半導体層３２の表面の一方側に配列されているが、パッド部３５の位置には特に限定はなく、例えば半導体層３２の表面の一方側と他方側とに交互に配列されていてもよい。

また、上述した実施形態では、チョッパー１４で変調したポンプ光Ｌ１を間欠的にテラヘルツ波発生アンテナ１６に入射させているが、分光計測システム１からチョッパー１４を外すと共に、直流電圧源２４に代えてシグナルジェネレータからの変調電圧をパッド部３５に印加するようにしてもよい。この場合の電圧の変調波形は、例えば図８に示すように、変調周期ｔ_０が０．０１ｍｓ〜０．１ｓ程度の矩形波とすればよい。このほか、正弦波の変調波形であってもよい。

３１，４１，５１，６１，７１…光伝導アンテナ、２４…直流電圧源（外部電源）、３２…半導体層、３３…電極、３４…アンテナ部、３５…パッド部、３６，４６，５６，６６，７６…電圧分配回路、４７…抵抗、５７…ツェナーダイオード、５８…コンデンサ、Ａ…アンテナ領域、Ｔ…テラヘルツ波。

Claims

テラヘルツ波を発生又は検出する光伝導アンテナであって、
半導体層と、
前記半導体層上に所定の間隔を持って複数配列された電極と、を備え、
前記電極は、
前記テラヘルツ波を発生又は検出するアンテナ領域を形成する線状のアンテナ部と、
前記アンテナ部に接続され、前記電極の配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように外部電源からの電圧が印加されるパッド部と、を有していることを特徴とする光伝導アンテナ。
前記パッド部に対し、前記電極の配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように前記外部電源からの電圧を分配する電圧分配回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の光伝導アンテナ。
前記電圧分配回路は、前記電極間にそれぞれ接続された抵抗によって構成されていることを特徴とする請求項２記載の光伝導アンテナ。
前記電圧分配回路は、前記電極間にそれぞれ接続されたツェナーダイオードによって構成されていることを特徴とする請求項２記載の光伝導アンテナ。
前記ツェナーダイオードにコンデンサが並列接続されていることを特徴とする請求項４記載の光伝導アンテナ。
半導体層と、
前記半導体層上に所定の間隔を持って複数配列された電極と、を備え、
前記電極が、
前記テラヘルツ波を発生又は検出するアンテナ領域を形成する線状のアンテナ部と、
前記アンテナ部に接続されたパッド部と、を有する光伝導アンテナを用いたテラヘルツ波発生方法であって、
前記電極の配列順に徐々に増加又は徐々に減少するように外部電源からの電圧を前記パッド部に印加した状態で、前記アンテナ領域にポンプ光を入射させることを特徴とするテラヘルツ波発生方法。
前記電極を配列順にグループ分けし、各グループ毎に異なる電圧を前記パッド部に印加することを特徴とする請求項６記載のテラヘルツ波発生方法。
前記電極のうち、中央側に位置する一の電極を接地電位とし、両端に位置する電極がそれぞれ最大正電圧及び最大負電圧となるように前記外部電源からの電圧を前記パッド部に印加することを特徴とする請求項６記載のテラヘルツ波発生方法。
前記外部電源としてシグナルジェネレータを用い、前記シグナルジェネレータからの変調電圧を前記パッド部に印加することを特徴とする請求項６記載のテラヘルツ波発生方法。