JP5419411B2 - テラヘルツ波発生素子 - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ波（本明細書では、０．３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波）を発生させるための発生素子に関する。
テラヘルツ波（本明細書では、０．３ＴＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波）は、主に以下の様な特徴を持つ。
まず、波長が比較的短いので、Ｘ線の様に非金属物質を透過する。また、テラヘルツ波の周波数帯域に固有の吸収スペクトルを有する生体分子や医薬品などが、多数存在する。さらに、時間領域におけるパルス幅が比較的短いので、多くのイメージングに適した空間分解能を有している。
以上の様な特徴を利用したテラヘルツ波の応用分野として、物質内部の分光分析技術、Ｘ線に代わる安全な透視イメージング装置、層状構造物の非破壊断層像取得技術などがある。
ところで、テラヘルツ波を発生させるための波源（フェムト秒レーザなどの光源と光伝導アンテナなどの発生素子とを含み構成されるテラヘルツ波発生装置）は二種類に大別できる。
一つは、単色（単一波長）のテラヘルツ波を発生させる波源であり、連続波（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）を発生させるものとパルス波を発生させるものとがある。ここで、連続波は、２つの異なる周波数を有する光を合成してうなりを発生させ、これを光伝導アンテナに入射することにより発生させる。
もう一つは、異なる波長の光どうしが位相関係を保って（例えば、ピークの位置が一致した状態で）重なり合った広帯域な周波数成分からなる、モノサイクル（ピークが単一の）テラヘルツパルスを発生させるものである。
従来、テラヘルツパルス発生用の素子として、光伝導性を有する半導体に一対のアンテナ型の電極を形成した光伝導アンテナが好適に用いられている。
まず、電圧が印加された電極間にフェムト秒レーザパルス光を照射することにより、半導体でキャリアが発生する。次に、発生したキャリアは電界の向き（印加した電圧の向き）に加速される。そして、キャリアの加速度に応じた強度のテラヘルツパルスが発生し、自由空間に放射される。
このような光伝導素子は、高速かつ高耐電圧な特性を持つ半導体により構成され、例えば、ＧａＡｓ基板上に低温成長させたＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）などがある。
また、光伝導アンテナとは異なる形態のテラヘルツパルス発生素子が非特許文献１に開示されている。この素子は、シリコンｐ−ｉ−ｎダイオードを用いたものである。
ここで、上記素子の真性層（励起光が照射されることによりキャリアを発生する絶縁層あるいはｉ層）の膜厚を、励起光が十分に減衰するだけの厚さに設計する。これにより、励起光により励起されたキャリアのほぼ全てが、テラヘルツ波の発生に寄与するので、比較的高いテラヘルツ波の発生効率を得ることができる。
また、励起光の照射面に対して垂直方向（膜厚方向）に電圧を印加する。このとき、膜厚を薄くすることにより、従来の膜の面方向に電圧を印加する光伝導アンテナに比べて、高い電界を効率良く印加することができる。
上記非特許文献１に開示されている素子は、励起光をダイオードの表面に入射する構造となっている。一方、非特許文献２に開示されているテラヘルツ波発生素子は、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰのｐ−ｉ−ｎダイオードの多層膜構造に対し、素子の端面から膜に平行方向に励起光を入射するものである。
この素子の構造は、フォトミキシング（ヘテロダイン検出）により、２つの異なる波長の光でうなりを発生させ、単色のテラヘルツ波を効率良く発生させることが目的である。励起光がＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ層（真性層あるいはｉ層）をコア（励起光を伝播させる層）とする導波路構造を伝播することにより、キャリアを生成する。
このような導波路型ダイオードは、励起光が前記真性層に吸収される長さ（吸収長）と、真性層（ｉ層）の膜厚を独立に設計できる。ここで、吸収長とは、テラヘルツ波の発生効率に寄与するパラメータのことでる。上記導波路構造の場合の吸収長は、励起光を入射する端から膜に平行方向の長さとなる。また、真性層の膜厚によって、素子が動作する速度が変化し、膜厚を短くすることにより、該速度を速くすることができる。
また、発生したテラヘルツ波は導波路構造に閉じ込められて伝播するため、自由空間への放射に限らず、伝送線路への結合も容易となる。
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．５９，ｐｐ．３３５７−３３５９，１９９１ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２００３．ＭＷＰ ２００３ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ，ｐｐ．１７９−１７８，２００３
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しかしながら、上記非特許文献１に開示されている光伝導アンテナでは、励起光を受光する面（真性層あるいはｉ層）で反射した光のエネルギーは、テラヘルツ波の発生に寄与しないため、エネルギーの損失となる。
また、より出力の大きなテラヘルツ波を発生させる場合、印加する電圧と励起光の強度（パワー）を大きくする必要がある。このとき、スクリーニング効果により、発生するテラヘルツ波の出力（パワー）には限界がある。
ここで、スクリーニング効果とは、励起光が光伝導性を有する半導体に照射されるとき、以下のことを言う。すなわち、励起光が照射される単位面積あたりのパワーが大きくなるにつれ、発生するテラヘルツ波の出力（パワー）が飽和する現象のことである。
また、非特許文献２に開示されている導波路型ダイオードを、テラヘルツパルスを発生させるための素子に適用した場合を考える。このとき、より出力の大きなテラヘルツ波を発生させる場合、印加する電圧と励起光の強度（パワー）を大きくする必要がある。このためには、吸収層（真性層あるいはｉ層）とコア（励起光を伝播させる層）とは同じ層として形成されているので、励起光をコアに入射する際に集光させる必要がある。このため、上述したスクリーニング効果により、発生するテラヘルツ波の出力（パワー）が制限される。
また、キャリアを発生させる層（吸収層）と励起光が伝播する層（コア）は同じ層として形成されているので、励起光の伝播が吸収層の透過率で制限されるため、伝播効率が制限される構成となっている。
本発明に係るテラヘルツ波を発生させるためのテラヘルツ波発生素子は、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子であって、励起光が入射することにより前記テラヘルツ波が発生する発生層と、前記励起光と前記発生層で発生した前記テラヘルツ波とを伝播する導波層と、前記導波層を伝播する前記テラヘルツ波を反射する第１の閉じ込め層と、を備え、前記発生層と前記導波層と前記第１の閉じ込め層とは、前記発生層、前記導波層、前記第１の閉じ込め層の順に積層されており、前記発生層は、前記励起光が入射することによりキャリアを発生する半導体を含み、前記導波層から前記発生層の表面上の第１の位置へ入射し且つ前記第１の位置で反射した前記励起光が、前記第１の位置と異なる前記発生層の前記表面上の第２の位置に入射するように構成されていることを特徴とする。
発生されるテラヘルツ波の発生効率を向上させることのできるテラヘルツ波発生素子の提供。
（第１の実施形態：励起光を発生層に再入射）
本実施形態に係るテラヘルツ波を発生させるためのテラヘルツ波発生素子について、図１（ａ）を用いて説明する。なお、図１（ａ）は、テラヘルツ波が伝播する方向に対して垂直方向に上記素子を切ったときの断面を模式的に表した断面図である。ここで、本発明に係るテラヘルツ波発生素子は、これに限るものではない。
本実施形態に係るテラヘルツ波を発生させるためのテラヘルツ波発生素子について、図１（ａ）を用いて説明する。なお、図１（ａ）は、テラヘルツ波が伝播する方向に対して垂直方向に上記素子を切ったときの断面を模式的に表した断面図である。ここで、本発明に係るテラヘルツ波発生素子は、これに限るものではない。
本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、以下の構成を備えている。まず、１１は、入射した励起光２０によりキャリアを発生させる発生層である。発生層１１には、励起光２０のエネルギーよりも小さいバンドギャップを有する半導体（単一の層構造）や該半導体を含み構成されるダイオード構造（複数の層構造）を用いることが好ましい。また、発生層１１には、半導体超格子や超伝導体を用いても良い。具体的には、第２の実施形態の（ａ−１）で詳述する。さらに、発生層１１の膜厚は、２μｍ以上であることが好ましい。この膜厚のとき、励起光２０が発生層１１を透過しないので、励起光２０を透過による損失を生じることなく反射させることができる。
そして、本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、前記発生層１１で反射した励起光２０を再び該発生層に入射するように構成される。
これにより、励起光の発生層への入射を、励起光１回の照射に対して、複数回行うことができるので、効率良くキャリアを発生させることができる。また、キャリアの発生効率が向上するため、スクリーニング効果によるテラヘルツ波の発生効率の限界を改善することができる。
ここで、本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子に関して、以下の反射した励起光２０が再び発生層１１に入射する位置によって、以下の（ａ）と（ｂ）の２つの種類に分類することができる。
なお、本明細書では、発生層１１に照射した光が含む複数の「光線（波面に垂直な線）」のうち、少なくとも１本のことを「励起光」と表現することにする。ただし、上述の定義により、本発明から上述の定義以外の概念を排除するものではない。
（ａ）反射した励起光を再び発生層の異なる位置に入射
前記発生層１１の第１の位置１６に入射した励起光２０を反射するように構成される。そして、前記反射した励起光を該第１の位置１６とは異なる該発生層１１の第２の位置１７に入射するように構成される。
前記発生層１１の第１の位置１６に入射した励起光２０を反射するように構成される。そして、前記反射した励起光を該第１の位置１６とは異なる該発生層１１の第２の位置１７に入射するように構成される。
ここで、上記機能を有するようにテラヘルツ波発生素子を構成するには、以下のように構成することが好ましい。
まず、前記励起光２０を透過させる導波層１２を有するように構成される。導波層１２には、有機誘電材料（プラスチックなど）や無機誘電材料（アルミナや石英など）を用いることが好ましい。具体的には、第２の実施形態の（ｂ−１）で詳述する。
次に、前記発生層１１の前記第１の位置１６で反射した光を前記第２の位置１７に入射させる第１の閉じ込め層１３を有するように構成される。第１の閉じ込め層１３には、励起光２０の周波数帯域における複素屈折率の虚部（エネルギーの損失に寄与）が大きい材料（表面反射型）が好ましい。具体的には、金属や高濃度にドープした半導体などがある。また、第１の閉じ込め層１３には、励起光２０の周波数帯域における屈折率（複素屈折率の実部）に関して、導波層１２よりも小さい材料であることが好ましい。このとき、励起光２０の前記第１の閉じ込め層１３への入射角を、全反射する角度以上にする（全反射型）ことが好ましい。
そして、前記発生層１１、前記導波層１２、前記第１の閉じ込め層１３の順に積層させる。
なお、前記発生層１１、前記導波層１２、前記第１の閉じ込め層１３の材料等については、第２の実施形態で詳述する。
ここで、励起光２０を、図１（ａ）のように、導波層１２に照射することが好ましい。この場合、励起光２０を素子の端から膜の面方向（膜厚方向に対して垂直の方向）に入射する。
また、励起光を、第１の閉じ込め層１３側から導波層１２に照射しても良い。この場合、例えば、第１の閉じ込め層１３に励起光２０を透過する材料から成る窓（励起光を発生層に入射するための窓）を設けることが考えられる。また、第１の閉じ込め層１３には、ハーフミラー（前記励起光２０に対する透過率が５０％で、且つ該励起光２０に対する反射率が５０％）を用いることが好ましい。ただし、第１の閉じ込め層１３には、反射率が１００％あるいは透過率が１００％でない材料ならば、適用でき得ることは言うまでもない。
励起光が第１の閉じ込め層１３を透過する際に生じる損失がないので、励起光を導波層に照射する方が好ましいが、もちろん本発明はこれに限られるものではない。
（ｂ）反射した励起光を再び発生層の同じ位置に入射
反射した励起光を再び発生層１１の同じ位置に入射する形態について、図１（ｅ）を用いて説明する。図１（ｅ）は、テラヘルツ波が伝播する方向に対して垂直方向に上記素子を切ったときの断面を模式的に表した断面図である。
反射した励起光を再び発生層１１の同じ位置に入射する形態について、図１（ｅ）を用いて説明する。図１（ｅ）は、テラヘルツ波が伝播する方向に対して垂直方向に上記素子を切ったときの断面を模式的に表した断面図である。
まず、前記発生層１１に入射した励起光２３を反射するように構成される。そして、前記反射した励起光を該発生層１１の同じ位置に入射するように構成される。
ここで、上記機能を有するようにテラヘルツ波発生素子を構成するには、以下のように構成されることが好ましい。
まず、前記励起光２３を透過させる導波層１２を有するように構成される。具体的には、（ａ）で上述した材料と同様である。
次に、励起光２３を透過し、且つ前記発生層１１で反射した励起光を反射するための第１の閉じ込め層１３を有するように構成される。第１の閉じ込め層１３には、（ａ）で上述したように、ハーフミラーを用いることが好ましい。
そして、前記発生層１１、前記導波層１２、前記第１の閉じ込め層１３の順に積層させる。
この場合、素子の両端に発生層１１に電界を印加するための電極２４を設けることが好ましい。ここで、励起光２３が発生層１１に入射することにより発生するキャリアは、前記電界の印加方向に流れる。また、励起光２３は、前記発生層１１に対して垂直となる方向から入射されることが好ましい。これは、前記電界の印加方向に対して、励起光２３の入射方向が垂直であることが好ましいからである。それらにより、キャリアを電界方向に加速することができ、テラヘルツ波を発生させることができる。
なお、テラヘルツ波はパルス列（照射タイミングで発生するテラヘルツ波パルスが、並んでいる状態）として発生する。
（第２の実施形態：励起光及びテラヘルツ波が導波層を伝播）
本実施形態に係るテラヘルツ波を発生させるためのテラヘルツ波発生素子について、図１を用いて説明する。なお、図１（ｃ）は、テラヘルツ波が伝播する方向に対して垂直方向に上記素子を切ったときの断面を模式的に表した断面図である。また、図１（ｂ）は、テラヘルツ波が伝播する方向に上記素子を切ったときの断面を模式的に表した断面図である。
本実施形態に係るテラヘルツ波を発生させるためのテラヘルツ波発生素子について、図１を用いて説明する。なお、図１（ｃ）は、テラヘルツ波が伝播する方向に対して垂直方向に上記素子を切ったときの断面を模式的に表した断面図である。また、図１（ｂ）は、テラヘルツ波が伝播する方向に上記素子を切ったときの断面を模式的に表した断面図である。
ここで、本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、励起光だけでなく、テラヘルツ波も導波層を伝播する構成となっている。これにより、キャリアの発生だけでなく、テラヘルツ波の取り出し効率も良くすることができる。
本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、以下の構成を備えている。
（ａ）発生層
まず、１１は、励起光２０が入射することによりキャリアを発生させる発生層である。前記発生層１１は、光伝導性を有する半導体を含み構成される。
まず、１１は、励起光２０が入射することによりキャリアを発生させる発生層である。前記発生層１１は、光伝導性を有する半導体を含み構成される。
（ａ−１）材料
前記発生層１１は、低温成長させたＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどの光伝導性を有する半導体（単一の層構造）であることが望ましい。また、前記発生層１１は、前記光伝導性を有する半導体を含み構成される構造体（複数の層構造）であることが望ましい。前記構造体は、励起光の光子エネルギーより小さなバンドギャップエネルギーを持つ半導体を含み構成されるダイオード構造（整流性を持たせた構造）のことである。例えば、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造、ｍｅｔａｌ−ｉ−ｎダイオード構造、ｍｅｔａｌ−ｉ−ｍｅｔａｌダイオード構造、ショットキーバリアダイオード構造などを用いることができる。これらは、素子に逆バイアスを印加することにより、励起光の照射で発生するキャリアにより流れる電流を小さくすることができる。このため、発生層１１の抵抗が小さくても、効率良くキャリアに電界を印加することができる。ここで、ｉ層の材料には、例えば、ＬＴ−ＧａＡｓよりも抵抗の低いＩｎＧａＡｓなどを用いることが好ましいが、本発明はこれに限らない。
前記発生層１１は、低温成長させたＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなどの光伝導性を有する半導体（単一の層構造）であることが望ましい。また、前記発生層１１は、前記光伝導性を有する半導体を含み構成される構造体（複数の層構造）であることが望ましい。前記構造体は、励起光の光子エネルギーより小さなバンドギャップエネルギーを持つ半導体を含み構成されるダイオード構造（整流性を持たせた構造）のことである。例えば、ｐ−ｉ−ｎダイオード構造、ｍｅｔａｌ−ｉ−ｎダイオード構造、ｍｅｔａｌ−ｉ−ｍｅｔａｌダイオード構造、ショットキーバリアダイオード構造などを用いることができる。これらは、素子に逆バイアスを印加することにより、励起光の照射で発生するキャリアにより流れる電流を小さくすることができる。このため、発生層１１の抵抗が小さくても、効率良くキャリアに電界を印加することができる。ここで、ｉ層の材料には、例えば、ＬＴ−ＧａＡｓよりも抵抗の低いＩｎＧａＡｓなどを用いることが好ましいが、本発明はこれに限らない。
（ａ−２）励起光
励起光２０が、前記発生層１１に入射することにより、テラヘルツ波が発生する。前記励起光２０は、レーザ光源から放射されるコヒーレントな（干渉性を有する）パルス光である。また、広帯域な（周波数帯域の広い）テラヘルツ波を発生させるためには、数フェムト秒から数十フェムト秒のパルス幅であることが望ましい。前記励起光２０が前記発生層１１に照射されることにより、該励起光２０が該発生層１１に吸収され、キャリアが発生する。
励起光２０が、前記発生層１１に入射することにより、テラヘルツ波が発生する。前記励起光２０は、レーザ光源から放射されるコヒーレントな（干渉性を有する）パルス光である。また、広帯域な（周波数帯域の広い）テラヘルツ波を発生させるためには、数フェムト秒から数十フェムト秒のパルス幅であることが望ましい。前記励起光２０が前記発生層１１に照射されることにより、該励起光２０が該発生層１１に吸収され、キャリアが発生する。
（ａ−３）テラヘルツが発生する方向
ここで、テラヘルツ波の発生する方向について説明する。
ここで、テラヘルツ波の発生する方向について説明する。
図１（ｂ）は、前記発生層１１から発生したテラヘルツ波には、２つの方向に発生するテラヘルツ波があることを表している。一つは、前記導波層１２側に発生する第１のテラヘルツ波２１である。もう一つは、該導波層１２とは反対側に発生する第２のテラヘルツ波２２である。
テラヘルツ波の放射は強い指向性を有しており、以下の関係を満たす。
ここで、ｎｏｐｔ、ｎＴＨｚはそれぞれ、励起光２０の屈折率、発生するテラヘルツ波の周波数における導波層１２の屈折率である。また、θｏｐｔ、θＴＨｚはそれぞれ、励起光２０の入射角、発生するテラヘルツ波のビームの中心軸と発生層１１の法線とのなす角である。
したがって、ｎｏｐｔとｎＴＨｚが大きく異ならない場合には、励起光の波面の伝播とテラヘルツ波の波面の伝播が同じになることを意味している。このため、テラヘルツ波は、励起光２０が発生層１１で反射する光と略同軸方向に放射される（第１のテラヘルツ波２１）。そして、放射されたテラヘルツ波は導波層１２に閉じ込められ、励起光２０と同方向に伝播する。
また、テラヘルツ波は、励起光２０が導波層１２と発生層１１との界面で屈折して進む方向にも伝播する（第２のテラヘルツ波２２）。
ここで、励起光２０は、発生層１０３で吸収されるものと、反射されるものとがある。吸収された励起光により、キャリアが発生し、キャリアが加速されてテラヘルツ波が発生する。
（ａ−４）電界の印加
前記キャリアに電界を印加することが好ましい。例えば、前記発生層１１に電圧を印加するための電極を備えるなどの構成が考えられる。前記電界を印加することにより、前記キャリアが加速され、テラヘルツ波を発生することができる。
前記キャリアに電界を印加することが好ましい。例えば、前記発生層１１に電圧を印加するための電極を備えるなどの構成が考えられる。前記電界を印加することにより、前記キャリアが加速され、テラヘルツ波を発生することができる。
また、前記発生層１１の膜厚方向に電界を印加することが好ましい。このとき、キャリアの電場方向も膜厚方向（電界を印加した方向と同じ方向）になる。このため、導波層１２の端面から水平方向（前記膜厚方向に対して垂直な方向）に励起光２０を入射すると、励起光２０は発生層１１で反射をする。また、発生層１１で反射した励起光２０は、後述する第１の閉じ込め層１３でも反射する。励起光２０は、これらの反射を繰り返しながら、導波層１２を伝播する。具体的には、図２（ａ）のように構成することができる。これにより、前記発生層１１を挟んで一対の電極を備え、逆バイアスで、且つ降伏電圧にならない範囲の電圧を印加することにより、層に垂直な方向に所望の電圧を印加することができる。もちろん、図２（ｃ）のように、前記発生層１１の膜厚方向とは水平の方向に電界を印加するように構成することもできる。これらについては、実施例１で詳述する。
ここで、発生層１１に印加される電界が膜厚方向である場合、テラヘルツ波の伝播モードはＴＥＭモードもしくはＴＭモードとなる。
ここで、ＴＥＭモードとは、ＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードと、ＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）モードの両方が存在する光の伝播状態のことを意味する。
ＴＥモードは、テラヘルツ波の進行方向（膜厚方向に垂直な方向）に対して、電場が垂直となる伝播の状態のことである。また、ＴＭモードは、テラヘルツ波の進行方向に対して、磁場が垂直となる伝播の状態のことである。
（ａ−５）表面電界
一層構造の半導体の場合には、無電界時でも表面電界が印加される。これは、半導体の表面でバンドが曲がるので、エネルギー的に勾配が生じるために起こる現象である。これにより、電極を用いて電界を印加しなくても、キャリアを加速することができる。
一層構造の半導体の場合には、無電界時でも表面電界が印加される。これは、半導体の表面でバンドが曲がるので、エネルギー的に勾配が生じるために起こる現象である。これにより、電極を用いて電界を印加しなくても、キャリアを加速することができる。
（ｂ）導波層
次に、１２は、前記発生層１１に入射する励起光２０と、該励起光２０が該発生層１１に入射することにより発生したテラヘルツ波２１とを伝播させるための導波層である。前記導波層１２は、前記励起光２０及び前記テラヘルツ波２１を透過させる材料を含み構成される。
次に、１２は、前記発生層１１に入射する励起光２０と、該励起光２０が該発生層１１に入射することにより発生したテラヘルツ波２１とを伝播させるための導波層である。前記導波層１２は、前記励起光２０及び前記テラヘルツ波２１を透過させる材料を含み構成される。
（ｂ−１）材料
前記導波層１２は、励起光およびテラヘルツ波に対して高い透過性を示す材質により構成されることが望ましい。前記導波層１２には、有機誘電材料や無機誘電材料などを用いることが好ましい。有機誘電材料には、例えば、高密度ポリエチレンやＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリシクロオレフィン、テフロン（登録商標）、ポリイミドなどのプラスチックがある。また、無機誘電材料には、アルミナや石英などがある。もちろん、本発明はこれらの材料に限られるものではない。
前記導波層１２は、励起光およびテラヘルツ波に対して高い透過性を示す材質により構成されることが望ましい。前記導波層１２には、有機誘電材料や無機誘電材料などを用いることが好ましい。有機誘電材料には、例えば、高密度ポリエチレンやＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリシクロオレフィン、テフロン（登録商標）、ポリイミドなどのプラスチックがある。また、無機誘電材料には、アルミナや石英などがある。もちろん、本発明はこれらの材料に限られるものではない。
また、励起光の光子エネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを持つ高抵抗半導体を用いても良い。これにより、励起光２０は、導波層１２でキャリアを発生することなく伝播することができる。さらに、空気を用いてもよく、例えば、金属などで構成された中空の構造体（空気を金属で覆ったもの）を用いることによって構成することができる。
（ｂ−２）屈折率
本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、前記導波層１２の前記励起光に対する屈折率が、前記発生層１１の励起光に対する屈折率よりも小さいことが好ましい。この関係を満たす材料は、例えば、上述した材料である。
本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、前記導波層１２の前記励起光に対する屈折率が、前記発生層１１の励起光に対する屈折率よりも小さいことが好ましい。この関係を満たす材料は、例えば、上述した材料である。
これにより、励起光２０が発生層１１で反射する際、漏れモードにより伝播するので、励起光２０が発生層１１で全反射しながら伝播する場合に比べて、キャリアを効率よく発生させることができる。
なお、漏れモードとは、光の一部が層に吸収されながら反射して伝播していく状態のことである。
この場合、励起光を前記導波層１２に入射する際、レンズを用いて集光させるなどの手段を用いて、該導波層１２の端面に入射させることが好ましい。これにより、発生層１１の屈折率よりも小さい屈折率である導波層１２に光を入射することができる。
ここで、前記導波層１２の励起光に対する屈折率が、前記発生層１１の励起光に対する屈折率よりも大きいか同じである場合、励起光２０は全反射する。このとき、発生層１１の表面で励起光２０はわずかに吸収されるため、キャリアが発生する。
（ｂ−３）モードフィルタ
高次モード（ピークの数が多い光の伝播状態）は、テラヘルツ波の時間波形およびスペクトル波形を歪ませる原因となる。また、高次モードは、導波層に入射する際、層の面に対して大きな角度であるため、発生層での反射率が小さくなり、エネルギーの損失が大きい。
高次モード（ピークの数が多い光の伝播状態）は、テラヘルツ波の時間波形およびスペクトル波形を歪ませる原因となる。また、高次モードは、導波層に入射する際、層の面に対して大きな角度であるため、発生層での反射率が小さくなり、エネルギーの損失が大きい。
そのため、例えば、焦点距離のできるだけ長いレンズを用いて、励起光を導波層１２に照射する際に、層の面に対してできるだけ小さな角度にする。これにより、低次モード（ピークの数が少ない光の伝播状態）を励振させることができる。
また、励起光の低次のモードを選択的に励振するための他の手段として、素子の入射端に、導波層と閉じ込め層を延長させる素子構造を付加することが考えられる。高次モードは、低次モードに比べてエネルギーの損失が大きいので、伝播する距離が長いほど、高次モードは消失し易い。
さらに、励起光をレンズで集光させた場合、低次モードは高次モードに比べて焦点のサイズが小さくなる。このため、焦点のサイズに合わせたスリットを集光させた場所に用意することにより、低次モードを選択することができる。
（ｂ−４）膜厚
導波層１２の膜厚Ｔは、出力されるテラヘルツ波の時間波形、およびスペクトル特性を決定する上で重要な設計要素である。
導波層１２の膜厚Ｔは、出力されるテラヘルツ波の時間波形、およびスペクトル特性を決定する上で重要な設計要素である。
複数のモードどうしの干渉によって生じる波形の歪みを抑制するために、テラヘルツ波を単一モード（シングルモード）で伝播させることが望ましい。これは、伝播するテラヘルツの基本モードがＴＥＭモードで、且つＴ＜Jｃ／２ｆｍａｘｎＴＨｚを満たすように、前記導波層１２の膜厚Ｔを選択することにより達成できる。ここで、ｆｍａｘは発生するテラヘルツ波の周波数成分の最大値、ｃは高速である。
（ｃ）第１の閉じ込め層
また、１３は、前記導波層１２を伝播する励起光２０と、前記導波層１２を伝播するテラヘルツ波２１とを該導波層１２に閉じ込めるための第１の閉じ込め層である。前記第１の閉じ込め層１３は、前記励起光２０及び前記テラヘルツ波２１を反射させる材料を含み構成される。前記第１の閉じ込め層１０６には、例えば、金属が考えられる。金属は、テラヘルツ波が反射する際に、低いエネルギー損失で反射することが知られている。
また、１３は、前記導波層１２を伝播する励起光２０と、前記導波層１２を伝播するテラヘルツ波２１とを該導波層１２に閉じ込めるための第１の閉じ込め層である。前記第１の閉じ込め層１３は、前記励起光２０及び前記テラヘルツ波２１を反射させる材料を含み構成される。前記第１の閉じ込め層１０６には、例えば、金属が考えられる。金属は、テラヘルツ波が反射する際に、低いエネルギー損失で反射することが知られている。
（ｃ−１）材料
第１の閉じ込め層１３は、テラヘルツ波に対して高い反射率を示す材質により構成されることが望ましい。
第１の閉じ込め層１３は、テラヘルツ波に対して高い反射率を示す材質により構成されることが望ましい。
高い反射率を得る反射形態には、実効的に複素屈折率の虚部が大きな材質からの反射による表面反射型と、全反射による全反射型の２つに大別できる。表面反射型の場合、第１の閉じ込め層１３は、例えば、金属や、不純物を高濃度で添加した半導体などにより構成される。この場合、閉じ込め層は発生層に電圧を印加するための電極を兼ねることもできる。また、誘電体多層膜やフォトニック結晶などにより構成される周期構造を利用してもよい。また、全反射型では、導波層よりも屈折率が小さく、かつ、テラヘルツ波に対して透明な材質が望ましく、空気とすることも含まれる。
前記第１の閉じ込め層１３が励起光を導波する導波層１２に積層されている場合において、該第１の閉じ込め層１３は励起光に対しても高い反射率を示すことが好ましい。この場合、表面反射型では金属が適しているが、反射率を更に稼ぐために、金属表面に誘電体の高反射膜をコーティングすることも可能である。
（ｄ）各層の関係
そして、本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、前記発生層１１、前記導波層１２、前記第１の閉じ込め層１３の順に構成（積層）される。
そして、本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、前記発生層１１、前記導波層１２、前記第１の閉じ込め層１３の順に構成（積層）される。
これにより、発生層１１で反射した励起光が第１の閉じ込め層１３で反射し、再び発生層１１に照射されるので、繰り返し反射させながら導波層１２を伝播させることができ、励起光を効率良く利用することができる。
また、励起光２０を発生層１１に照射する際に、照射回数を増やすことで、発生するテラヘルツ波の合計のパワーを効率良く大きくすることができる。これにより、一度に照射する面積を大きくすると、スクリーニング効果によって、テラヘルツ波の発生効率が悪いという課題が解決することができる。
なお、スクリーニング効果とは、上述したように、励起光が照射される単位面積あたりのパワーが大きくなるにつれ、発生するテラヘルツ波のパワーが飽和する現象のことである。
（ｅ）素子長
ここで、本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、素子長（励起光の進行方向における素子の長さ）を充分に長く設計することが好ましい。これにより、励起光のエネルギーのほぼ全てをテラヘルツ波発生に寄与させることができるので、テラヘルツ波の発生効率を高くすることができる。また、印加電圧と一回の反射において発生層で吸収される励起光のエネルギーを小さく抑えても、テラヘルツ波を増幅させることが可能である。
ここで、本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、素子長（励起光の進行方向における素子の長さ）を充分に長く設計することが好ましい。これにより、励起光のエネルギーのほぼ全てをテラヘルツ波発生に寄与させることができるので、テラヘルツ波の発生効率を高くすることができる。また、印加電圧と一回の反射において発生層で吸収される励起光のエネルギーを小さく抑えても、テラヘルツ波を増幅させることが可能である。
（ｆ）第２の閉じ込め層
また、図１（ｃ）は、別の本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子を表しており、該第２のテラヘルツ波２２を反射させる材料を含み構成される第２の閉じ込め層１４を備えている。
また、図１（ｃ）は、別の本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子を表しており、該第２のテラヘルツ波２２を反射させる材料を含み構成される第２の閉じ込め層１４を備えている。
さらに、上記素子は、前記第２の閉じ込め層１４、前記発生層１１、前記導波層１２、前記第１の閉じ込め層１３の順に構成（積層）される。
これにより、前記第２のテラヘルツ波２２を前記第２の閉じ込め層１４で反射させて、前記導波層１２を伝播させることができる。よって、前記第２のテラヘルツ波２２を効率良く利用することができる。
（ｆ−１）励起光を反射させる材料
また、前記第２の閉じ込め層１４は、励起光を反射させる材料を含み構成されることが好ましい。これにより、前記発生層１１の膜厚を励起光が透過する程度に薄い場合でも、該透過した励起光が前記第２の閉じ込め層で反射させることができる。このため、前記発生層１１を透過した光を再度該発生層１１に照射させることができるので、前記導波層１２を伝播するテラヘルツ波の出力を大きくすることができる。
また、前記第２の閉じ込め層１４は、励起光を反射させる材料を含み構成されることが好ましい。これにより、前記発生層１１の膜厚を励起光が透過する程度に薄い場合でも、該透過した励起光が前記第２の閉じ込め層で反射させることができる。このため、前記発生層１１を透過した光を再度該発生層１１に照射させることができるので、前記導波層１２を伝播するテラヘルツ波の出力を大きくすることができる。
反射によるテラヘルツ波の位相変化はテラヘルツ波の発生効率に大きく寄与する。第１の閉じ込め層が金属のような表面反射型で、第２の閉じ込め層が全反射型である場合、片面でのみ略１８０度の位相遷移が起こることにより、反射するテラヘルツ波と発生するテラヘルツ波が打ち消しあうことが起こる。従って、テラヘルツ波を導波層１２で増幅させるためには、双方の反射形態を統一するのが望ましい。
（ｆ−２）発生層の光学膜厚
このとき、前記発生層１１の光学膜厚が、前記テラヘルツ波の波長の１０分の１以下にすることが好ましい。これにより、前記第２のテラヘルツ波２２は、前記第２の閉じ込め層１４で反射する際、前記第１のテラヘルツ波２１の位相と同位相で伝播するものとみなすことができる。これは、発生層１１で反射したテラヘルツ波と前記第２の閉じ込め層１４で反射したテラヘルツ波との波形が余弦（コサイン）波となるため、前記光学膜厚が上記のような長さならば、それぞれのピーク値にはほとんど差がないものとみなせるからである。
このとき、前記発生層１１の光学膜厚が、前記テラヘルツ波の波長の１０分の１以下にすることが好ましい。これにより、前記第２のテラヘルツ波２２は、前記第２の閉じ込め層１４で反射する際、前記第１のテラヘルツ波２１の位相と同位相で伝播するものとみなすことができる。これは、発生層１１で反射したテラヘルツ波と前記第２の閉じ込め層１４で反射したテラヘルツ波との波形が余弦（コサイン）波となるため、前記光学膜厚が上記のような長さならば、それぞれのピーク値にはほとんど差がないものとみなせるからである。
（ｇ）調整層
本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、前記導波層１２と前記発生層１１との間に調整層１５を備えていることが好ましい。前記調整層１５は、前記励起光が前記発生層１１に吸収される割合（吸収率）を調整するための層である。これにより、導波層１２と発生層１１との境界における励起光の反射率を調整することができる。
本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、前記導波層１２と前記発生層１１との間に調整層１５を備えていることが好ましい。前記調整層１５は、前記励起光が前記発生層１１に吸収される割合（吸収率）を調整するための層である。これにより、導波層１２と発生層１１との境界における励起光の反射率を調整することができる。
具体的には、調整層１５の膜厚や屈折率を選択することにより、導波層１２と調整層１５との境界で反射した励起光と、調整層１５と発生層１１との境界で反射した励起光とを干渉させる。これにより、導波層１２と発生層１１との境界における励起光の反射率（導波層に戻る割合）を調整することができるので、発生層１１に照射される励起光の１回分のパワーを調整することができる。
例えば、励起光からテラヘルツ波への変換効率が大きい場合、励起光の１回の照射によって発生層１１に吸収される量を減らすことにより、複数回の照射でテラヘルツ波を発生させることができる。これにより、上述したスクリーニングを防止することができ、効率良くテラヘルツ波を発生することができる。また、上記変換効率が小さい場合には、上記吸収される量を増やすように、調整層１５の膜厚などを選択すれば良い。
ここで、調整層１５は、励起光及びテラヘルツ波を透過させる材料から選択される。
なお、調整層１５の膜厚を、導波層１２に入射する励起光の入射端から遠ざかるにつれ、徐々に薄くするように構成することが好ましい。これにより、入射端に近い領域では、反射率を大きくすることにより、励起光を吸収させる量を減らし、スクリーニングを防止することができる。また、入射端に遠い領域では、反射率を小さくすることにより、励起光を吸収させる量を増やし、効率良くテラヘルツ波に変換することができる。
（ｈ）群速度整合
次に、モノサイクル（単一な）パルスに近い時間波形とフリンジ（光の干渉などによって生じる縞模様のこと）の少ない平坦なスペクトル特性を得るための工夫について説明する。ここで、上記フリンジを有するようなスペクトルが波打つ状態は、時間波形であるパルスの位相がずれてピークが複数ある状態を意味している。
次に、モノサイクル（単一な）パルスに近い時間波形とフリンジ（光の干渉などによって生じる縞模様のこと）の少ない平坦なスペクトル特性を得るための工夫について説明する。ここで、上記フリンジを有するようなスペクトルが波打つ状態は、時間波形であるパルスの位相がずれてピークが複数ある状態を意味している。
モノサイクルパルスの時間波形は、導波層を伝播するテラヘルツ波と励起光の入射により発生層で新たに発生するテラヘルツ波の位相を一致させることにより実現される。そのためには、導波層を伝播する励起光とテラヘルツ波の群速度を一致させればよい。以下においてその具体的構成を説明する。
平行平板導波路モデルにおいて、周波数ｆの電磁波の群速度ｖｇは、一般に次式のように表すことができる。
ここで、ｎ、Ｔはそれぞれ導波層の屈折率、および膜厚であり、ｃは光速である。ｍはモード次数であり０以上の整数値である。励起光の周波数はテラヘルツ波の周波数の数十倍〜数百倍であることを考慮すると、テラヘルツ波を単一モードで伝播し、かつ、両電磁波の群速度を一致させるためには例えば以下ような方法を用いることができる。
（ｈ−１）低次モードを選択
一つ目の方法は、テラヘルツ波のＴＥＭモードと励起光の低次モードの群速度を整合させる方法である。この場合、導波層の膜厚Ｔをテラヘルツ波がＴＥＭモードの単一モードで伝播し、かつ励起光が多モード（マルチモード：いろいろなモードが混ざった光が伝播する状態）で伝播するように構成する。ＴＥＭモードで伝播するテラヘルツ波の群速度は、導波層のテラヘルツ波に対する屈折率ｎＴＨｚを用いてｃ／ｎＴＨｚと表される。一方、導波層を伝播する励起光のモードのうち、比較的低次のモードの群速度は、導波層の膜厚が励起光の波長より十分大きい場合、ほぼｃ／ｎｏｐｔに等しい（ｎｏｐｔ＝導波層の励起光に対する屈折率）。ここで、ｎＴＨｚ＝ｎｏｐｔとみなせる材料により導波層を構成することにより、テラヘルツ波のＴＥＭモードと励起光の低次モードの群速度を整合させることができる。励起光の低次のモードを選択的に励振するために、素子の入射端において、導波層と閉じ込め層を延長させるなどのモードフィルタを備えることができる。
一つ目の方法は、テラヘルツ波のＴＥＭモードと励起光の低次モードの群速度を整合させる方法である。この場合、導波層の膜厚Ｔをテラヘルツ波がＴＥＭモードの単一モードで伝播し、かつ励起光が多モード（マルチモード：いろいろなモードが混ざった光が伝播する状態）で伝播するように構成する。ＴＥＭモードで伝播するテラヘルツ波の群速度は、導波層のテラヘルツ波に対する屈折率ｎＴＨｚを用いてｃ／ｎＴＨｚと表される。一方、導波層を伝播する励起光のモードのうち、比較的低次のモードの群速度は、導波層の膜厚が励起光の波長より十分大きい場合、ほぼｃ／ｎｏｐｔに等しい（ｎｏｐｔ＝導波層の励起光に対する屈折率）。ここで、ｎＴＨｚ＝ｎｏｐｔとみなせる材料により導波層を構成することにより、テラヘルツ波のＴＥＭモードと励起光の低次モードの群速度を整合させることができる。励起光の低次のモードを選択的に励振するために、素子の入射端において、導波層と閉じ込め層を延長させるなどのモードフィルタを備えることができる。
このように、多モードで伝播する励起光の比較的低次のモードを利用することから単位素子長当たりの励起光吸収率が小さい。従って、高強度な励起光を利用することによる高出力な発生素子として有効である。
（ｈ−２）第１の導波層と第２の導波層
テラヘルツ波を単一モードで伝播し、かつ、両電磁波の群速度を一致させるためのもう一つの方法は、励起光を単一モードで伝播させ、その基本モードとテラヘルツ波のＴＥＭモードの群速度を整合する方法である。
テラヘルツ波を単一モードで伝播し、かつ、両電磁波の群速度を一致させるためのもう一つの方法は、励起光を単一モードで伝播させ、その基本モードとテラヘルツ波のＴＥＭモードの群速度を整合する方法である。
これは例えば、前記導波層１２が、励起光を伝播させるための第１の導波層２０５と、テラヘルツ波を伝播させるための第２の導波層２０６から成る二層構造にすることで実現することができる。前記第１の導波層は、発生層１１に接する層であり、他方を第２の導波層とする。
励起光を第１の導波層に照射した場合、第１の導波層の励起光に対する屈折率を、第２の導波層の屈折率よりも大きくすることで、励起光を第１の導波層に閉じ込めることができる。また、励起光が単一モードで伝播するように第１の導波層の膜厚を最適に設計する。
第２の導波層の膜厚は、テラヘルツ波がＴＥＭモードの単一モードで伝播するように構成する。
第１の導波層に励起光を伝播させると、発生層１１で光子の一部が吸収されテラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波はその波長が第一の導波層の膜厚と比して十分に大きいことから、第１の導波層の影響を受けることなく第二の導波層に閉じ込められる。
以上のように、励起光とテラヘルツ波の両電磁波に対して単一モードとすることができることから、群速度を精度よく整合させることができる。従って、パルス幅の狭いモノサイクルパルスの生成に適している。
これにより、励起光及びテラヘルツ波を共に単一モードで制御することができることから、前記励起光と前記テラヘルツ波の群速度を一致させることが容易となり、パルス幅の狭いテラヘルツ波を生成することができる。
（ｉ）その他
（ｉ−１）アンテナ部
本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、前記導波層１２を伝播したテラヘルツ波を自由空間に放射させるためのアンテナ部を備えることが好ましい。
（ｉ−１）アンテナ部
本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子は、前記導波層１２を伝播したテラヘルツ波を自由空間に放射させるためのアンテナ部を備えることが好ましい。
これにより、前記テラヘルツ波発生素子と自由空間のインピーダンスを整合させることができるので、発生したテラヘルツ波を効率よく自由空間に放射させることができる。また、前記テラヘルツ波の反射波により生成される雑音を低減させることもできる。
（ｉ−２）伝送線路集積型センサモジュール
上述した本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子をテラヘルツ波の発生源として用いたセンサ装置について説明する。
上述した本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子をテラヘルツ波の発生源として用いたセンサ装置について説明する。
前記テラヘルツ波が伝播する経路中の物体による前記テラヘルツ波の伝播状態の変化を検出部により検出することで前記物体の様態の情報を取得する。
これにより、電磁波発生素子が高出力であることから、従来のセンサ装置に比して、より微小量の試料の測定、よりＳ／Ｎの高い測定、より高速度な測定が実現できる。詳細については、実施例２などで述べる。
（ｉ−３）トモグラフィ装置
上述した本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子をテラヘルツ波の発生源として用いたトモグラフィ装置について説明する。
上述した本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子をテラヘルツ波の発生源として用いたトモグラフィ装置について説明する。
前記テラヘルツ波が伝播する経路中の物体による前記電磁波の伝播状態の変化を検出部により検出することで前記物体の断面構造を取得する。
これにより、テラヘルツ波発生素子が発生するテラヘルツの出力が大きく、狭いパルス幅を持つことから、従来のトモグラフィ装置に比して、よりＳ／Ｎの高い測定、より高速度な測定、より深度の深い測定、が実現できる。詳細については、実施例４などで述べる。
（実施例１：調整層を含み構成される発生素子）
本実施例に係る電磁波発生素子（あるいはテラヘルツ波発生素子）について、図を用いて説明する。
本実施例に係る電磁波発生素子（あるいはテラヘルツ波発生素子）について、図を用いて説明する。
図２のように波長１．５５μｍ帯の励起光から高出力なテラヘルツパルスを発生させる電磁波発生素子である。
Ｓｉ基板１０１上にはＴｉ／Ａｕからなる下部閉じ込め層１０２（あるいは第２の閉じ込め層）が形成され、その一部の領域にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ｐ−ｉ−ｎダイオードから成る発生層１０３が転写されている。発生層１０３上にはＡｌ２Ｏ３から成る調整層１０４が成膜され、前記調整層上にＢＣＢ（ベンゾジクロブテン）から成る導波層１０５、およびＴｉ／Ａｕからなる上部部閉じ込め層１０６（あるいは第１の閉じ込め層）が形成されている。発生層の上面の一部にはコンタクトを取るためのＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極１０７が形成されており、電極も兼ねている下部閉じ込め層１０２と電極１０７を介して、直流電圧源１０８により発生層１０３には逆バイアスの電圧が印加されている。典型的なサイズとしては、全体の基板サイズとして１ｃｍ×２ｃｍと非常に小型となっている。発生層１０４の膜厚は全体で３μｍとなっており、周波数１０ＴＨｚ以下のテラヘルツ波がＴＥＭモードのみの形態で伝播するように、閉じ込め層１０２と１０６の間隔は１０μｍとなっている。導波層の線幅は２０μｍとしている。なお、これらに挙げたサイズや材料は一例であり、本発明を限定するものではない。
次に図３を参照しながら本素子の作製プロセスについて述べる。
図３（ａ）において、１．０μｍのｎ−−ＩｎＰ（不純物濃度＝１×１０１６ｃｍ−３）、０．５μｍのｎ−−ＩｎＧａＡｓ（不純物濃度＝３×１０１５ｃｍ−３）、０．５μｍのｎ−ＩｎＰ、及び１．０μｍのｎ−−ＩｎＰ（不純物濃度＝１×１０１９ｃｍ−３）を半絶縁性のＩｎＰ基板１上にＭＯＣＶＤ法などにより成長させ、Ｚｎの拡散により、ｐ＋領域（不純物濃度＝５×１０１８ｃｍ−３）を形成することにより、ＩｎＧａＡｓ ｐ−ｉ−ｎダイオードから成る発生層１０３を形成する。
図３（ｂ）において、発生層表面にＣｒ／ＡｕＺｎ／Ａｕ電極（不図示）を形成したあと、ＩｎＰ基盤１を膜厚１００μｍ程度まで機械研磨し、２ｃｍ×０．５ｃｍのチップを作製する。予め、Ｓｉ基板１０１条に下部閉じ込め層１０２を形成したものの一部領域にＡｕＳｎハンダ（不図示）を形成しておき、前記チップをハンドリングして所望の位置に乗せ、過熱することにより融着する。
図３（ｃ）において、ＩｎＰ基板１の除去を行う。その場合、チップの周囲は有機材料等で保護しておき、ＩｎＰ基板１をウェットエッチングにより除去する。
図３（ｄ）においては、調整層１０４、導波層１０５、上部閉じ込め層１０６及び電極１０７をＲＦスパッタリング、ＢＣＢ塗布とフォトリソグラフィ、及びリフトオフ法により作製する。
以下、調整層１０４の構成及び効果について説明する。
本実施例に係る電磁波発生素子の基本構成は、導波層１０５の両面に上部閉じ込め層１０６と発生層１０３を備える非対称３層スラブ構造である。励起光は各層の境界において反射され導波層内を伝播するが、境界に誘電体膜を挿入することにより反射率の調整を行うことができる。
本実施例に係る電磁波発生素子は、導波層１０５の膜厚が励起光波長に比べ大きく、かつ、発生層１０３は導波層１０５の片面に形成されている。この場合、テラヘルツ波の発生効率を大きくするために、例えば、素子長を長くすることが考えられる。そこで、発生層１０３と導波層１０５の間に調整層１０４を挿入することにより、励起光のエネルギーをより強く発生層１０３に導くことを行う。ＴＥモードの比較的低次モードにおいて調整層１０４の最適膜厚ｄは以下の式で表すことができる。
ここで、ｎｔは調整層１０４の屈折率、ｎ０は導波層１０５の屈折率であり、λは励起光の中心波長である。ｎｔ＝１．７５、ｎ０＝１．４５、λ＝１．５５・ｍとすると、ｄ＝０．３９５・ｍとなる。この時の、素子長２ｃｍの素子に対する波長と吸収率の関係を図４に示す。図４より、励起光の中心波長１．５５・ｍをピークとして吸収率が高まり、波長１．５５・ｍにおいて吸収率は１６ｄＢを上回る吸収率が得られているのが分かる。上部閉じ込め層１０６における損失は、前記１６ｄＢの内１．８ｄＢ程度であり、十分小さいといえる。調整層１０４を挿入しない場合、吸収率１６ｄＢを得るためには、ＴＭモードで８ｃｍ、ＴＥモードで５０ｃｍの素子長が必要となり、現実的ではない。以上のように、調整層１０４は素子長の短尺化において非常に重要な役目を果たしている。
本実施例に係る電磁波発生素子は、励起光の伝播モードをＴＥモードとし、導波層１０５と発生層１０３の間に調整層１０４を挿入したが、勿論この構成に限るものではない。構成材料や素子の構成が変われば、その構成に適した誘電体層を挿入することができる。例えば、導波層の膜厚が励起光の波長と同等まで小さくなる場合、発生層に入射する励起光のエネルギーが強すぎることにより、発生効率の低下を招くような場合には、導波層と発生層の境界に高反射層を挿入することができる。また、発生層と導波層の間に長手方向に膜厚を変化させた膜（例えば、入射端から遠ざかるにつれ徐々に膜厚を薄くなるように構成）を挿入することにより、発生層に入射する励起光のエネルギーを平均化させることも可能である。更に、導波層と上部閉じ込め層の境界に高反射層を挿入することにより、上部閉じ込め層における損失を低減できる場合もある。
以上、述べてきたように、本実施例に係る電磁波発生素子は、励起光波長に比べて十分大きい導波層を有し、発生層の受光面積は４×１０５・ｍ２に及ぶ。これは、従来多く用いられるギャップ幅５μｍの光伝導アンテナと比べると３桁以上大きい。従って、高いピークパワーを持つ励起光を用いた高出力テラヘルツ波の発生に有効である。また、本実施例に係る電磁波発生素子は、テラヘルツ波をＴＥＭモードで出力する。このことは各種伝送線路への高い結合効率を補償するものである。
（実施例２：伝送線路集積型センサモジュール）
本実施例は、図５のように実施例１に係る電磁波発生素子を用いた伝送線路集積型センサモジュールであり、生体分子や医薬品の微小量分析に有効な装置である。なお、図５の発生部３０２の符号は、図２の符号に対応している。
本実施例は、図５のように実施例１に係る電磁波発生素子を用いた伝送線路集積型センサモジュールであり、生体分子や医薬品の微小量分析に有効な装置である。なお、図５の発生部３０２の符号は、図２の符号に対応している。
本実施例に係る伝送線路集積型センサモジュールは、機能の異なる４つの部分から構成される。即ち、入射される励起光の伝播モードのうち、低次モードのみを透過させるモードフィルタの役目をする入射結合部３０１、励起光をテラヘルツ波に変換する発生部３０２、テラヘルツ波と検体を相互作用させるセンサ部３０３、及び、テラヘルツ波の時間波形を検出する検出部３０４から構成される。
入射結合部３０１は、ＢＣＢにより形成された導波層１０５をＴｉ／Ａｕから成る上部閉じ込め層１０６（あるいは第１の閉じ込め層）と下部閉じ込め層１０２（あるいは第２の閉じ込め層）で挟んだ構成となっている。光ファイバ３０５から導波層１０５に光が入射されると、損失の大きい高次モードが入射結合部３０１内で減衰し、低次モードが発生層３０２に結合される。このように、低次モードを発生部３０２に入射することにより、励起光の高次モードとテラヘルツ波の群速度の差に起因したパルス波形やスペクトル波形の歪みの影響を抑制することができる。
発生部３０２は、実施例１に係る電磁波発生素子と同じ構成である。
センサ部３０３は、発生部３０２の導波層１０５、上部閉じ込め層１０６、及び下部閉じ込め層１０２を延長した構成となっており、テラヘルツ波をＴＥＭモードで伝送する。センサ部はＢＣＢからなる膜厚がおよそ３μｍの保護層３０７により保護されており、検体保持部３１２の領域のみ、上部閉じ込め層１０６が露出している。前記検体保持部３１２に検体を設置することにより、検体保持部３１２を通過したテラヘルツ波は検体の物性情報により変調され、検出部３０４へ入射される。このように検体保持部を形成することにより、より定量性の高い計測が可能となる。
検出部３０４は、発生部３０２とほぼ同様の構成である。ただし、テラヘルツ波の光軸方向に長距離に渡ってキャリアが生成される場合、時間波形の分解能を低下させる恐れがあることから、プローブ光は素子の端面から検出層３１３を構成するｐ−ｉ−ｎダイオードの真性層に直接入射するのが望ましい。反射防止膜１０４も検出側では不要である。
上述した計測に関しては、公知技術であるテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）を適用することができる。即ち、光ファイバ３０５から入射結合部３０１を介して発生部３０２に励起光を入射し、テラヘルツ波を発生させる。一方、励起光と同期したプローブ光には光学遅延を与え、ファイバ３０６より検出部３０４に入射する。プローブ光の入射により検出層３１３の真性層内で発生したキャリアは、上部閉じ込め層１０６に沿って伝播してきたテラヘルツ波の電界により加速され電流計３１７により検出される。光学遅延によりプローブ光のゲート時間を変化させて測定を繰り返すことにより、テラヘルツ波の時間波形を得ることができる。
以上のように、本実施例に係る伝送線路集積型センサモジュールは、インピーダンスの大きな不整合を与えることなくかつてない高出力なテラヘルツ波源を導入することにより、高Ｓ／Ｎ化、測定の高速化が実現できる。
（実施例３：単一モードで伝播できる発生素子）
本実施例に係る電磁波発生素子は、図６のように、波長１．５５μｍ帯の励起光からテラヘルツトモグラフィ測定に有効なモノサイクルのテラヘルツパルスを発生させることができる。
本実施例に係る電磁波発生素子は、図６のように、波長１．５５μｍ帯の励起光からテラヘルツトモグラフィ測定に有効なモノサイクルのテラヘルツパルスを発生させることができる。
本実施例に係る電磁波発生素子の特徴は、導波層が２つの領域に分かれており、第一の導波層２０５には励起光が、第二の導波層２０６には発生したテラヘルツ波がそれぞれ単一モードで伝播できる点である。その他の構成は実施例１に係る電磁波発生素子に順ずる。
第一の導波層２０５の励起光に対する屈折率ｎ１を第二の導波層２０６の励起光に対する屈折率ｎ２よりも大きくなるように選ぶことにより、励起光は第一の導波層２０５と第二の導波路２０６の境界において全反射され第一の導波層２０５内に閉じ込められる。励起光を単一モードで伝播させるためには、第一の導波層２０５の膜厚を波長程度まで薄くする必要がある。発生層２０３に励起光を吸収させる程度は、発生層２０３と第一の導波層２０５の間に挿入された調整層２０４により調整することができる。
モノサイクルのテラヘルツパルスは数ＴＨｚから数十ＴＨｚに渡る広大な周波数帯を有していることから、全周波数領域において単一モードとなるためには、ＴＥＭモードを利用するのが望ましい。一方第一の導波層２０５を伝播する励起光のモードはＴＥ０モード又はＴＭ０モードであり、それらの群速度はＴＥＭモードの群速度よりも遅いのが一般的である。このような制約の中で群速度を整合させために、例えば、第二の導波層２０６の材質としてテラヘルツ波に対する屈折率ｎＴＨｚが励起光に対する屈折率ｎ２よりも大きい材質を用いることができる。テラヘルツ波と励起光は周波数が大きくことなるため、このような材質を選択することは比較的容易である。
図７は、第一の導波層２０５をＩｎＰ（ｎ１＝３．１６７）、第二の導波層２０６をＡｌ２Ｏ３（ｎ２＝１．７４６、ｎＴＨｚ＝３．０９）とした時の各層の膜厚に対する群速度の関係を示したものである。二次モードが遮断となる膜厚から、テラヘルツ波は第一の導波層２０５が図中のＡ以下、励起光は第二の導波層２０６が図中のＢ以下の膜厚ときにそれぞれ単一モードで伝播することが分かる。前記単一モードとなる膜厚の範囲内において、ＴＥＭモードで伝播するテラヘルツ波の群速度は一定値ｃ／ｎＴＨｚとなっているのに対し、ＴＥ０モードで伝播する励起光の群速度はｃ／ｎ２からｃ／ｎ１以下の範囲を取り得る。従って、第一の導波層２０５の膜厚を図中にＸで示す値にすることにより、群速度を整合させることが可能である。テラヘルツ波の周波数が変化したとしても、図中のＡに示す膜厚の境界値が横方向にシフトすることから、広い周波数帯域に渡り群速度の整合条件は保存される。典型的なサイズとしては、第一の導波層２０５の膜厚は０．３μｍ、第二の導波層の膜厚は８μｍである。調整層２０４として０．３μｍのＳｉＯ２（ｎ＝１．４４）を挿入することにより、励起光の吸収率は素子長５００μｍで１０ｄＢ以上となる。
以上のように、本実施例に係る電磁波発生素子は、励起光とテラヘルツ波の両電磁波を単一モードとして制御し、前記両電磁波の群速度を一致させることから、トモグラフィなどのパルス幅の短いモノサイクルパルスを生成するために効果的である。
（実施例４：トモグラフィ装置）
以下、本実施例に係るテラヘルツトモグラフィックイメージング装置について説明する。本実施例は、図８（ａ）のように実施例３に係る電磁波発生素子を用いたトモグラフィックイメージング装置であり、医薬品等の内部非破壊検査を始め、産業・医療応用にとって重要な装置である。
以下、本実施例に係るテラヘルツトモグラフィックイメージング装置について説明する。本実施例は、図８（ａ）のように実施例３に係る電磁波発生素子を用いたトモグラフィックイメージング装置であり、医薬品等の内部非破壊検査を始め、産業・医療応用にとって重要な装置である。
図８（ａ）に示すトモグラフィックイメージング装置は、公知技術であるテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）を基礎とした構成となっている。例えばエルビウム添加ファイバレーザからなるフェムト秒パルス光源４０１から放射された中心波長１．５６μｍのフェムト秒光パルスはビームスプリッタ４０２で２つの光パルスに分割される。一方の光パルスは、電磁波発生素子４０４を励起し、テラヘルツ波を発生させる。一方、分割された光パルスの内もう一方は、例えばＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）から成る波長変換器４０３により中心波長７８０ｎｍの第二高調波に変換され、数枚の平面反射鏡の組み合わせと駆動鏡からなる光学遅延器４０７により時間遅延を与えられる。時間遅延を与えられた光パルスは、ＬＴ−ＧａＡｓを用いた光伝導アンテナからなる検出部４０８に入射される。
電磁波発生素子４０４から発生したテラヘルツ波は２つの放物面鏡４０５、４０６により集光される。この集光位置には試料４１１が配置される。試料４１１において反射したテラヘルツ波は２つの放物面鏡４０９、４１０により検出部４０８に入射される。検出部４０８では、光パルスの入射時点におけるテラヘルツ波の振幅に比例した電流信号が生成される。
光学遅延器４０７により光学遅延を順次変化させて測定を行うことにより、テラヘルツ波の時系列波形を取得することができる。この時系列波形には試料４１１の内部構造の情報が含まれており、前記時系列波形を解析することにより、テラヘルツ波を照射した点近傍における試料奥行き方向の１次元情報を取得することができる。更に、試料４１１を走査ステージ４１２により光軸に略垂直な方向に走査させることにより、試料４１１の断面イメージを取得することができる。
以上ように、本実施例に係るトモグラフィックイメージング装置は、非破壊で試料の内部構造を取得することのできる有効な装置である。また、本発明による電磁波発生素子４０４は高出力なテラヘルツ波を発生させることが可能であることから、取得可能な奥行き方向の距離がより長くなり、Ｓ／Ｎは向上する。
図８（ｂ）には、本実施例の電磁波発生素子４０４の詳細が示されている。前記電磁波発生素子４０４は、以下の４つの部分から構成される。即ち、励起光を効率よく発生部５０２に結合するための入射結合部５０１、実施例３に係る電磁波発生素子と同じ構成の発生部５０２（発生部５０２の図中の記号は図５に対応している）、発生部５０２により発生したテラヘルツ波の反射を防ぎ、効率良くアンテナ５０４部と結合するためのインピーダンス変換部５０３、及び、テラヘルツ波を効率良く自由空間に放射するためのアンテナ部５０４から構成される。
入射結合部５０１は、コア／クラッド構造の誘電体導波路構造から構成されている。発生部５０２の第一の導波層（図６、２０５）は励起光を単一モードで伝播させるために膜厚０．３μｍのＩｎＰ薄膜により形成されており、レンズのような通常の結合系により直接励起光を結合することは困難である。本実施形態では、発生部５０２の第一の導波層（図６、２０５）の延長により形成されたＩｎＰのコアの幅を入射端面に向かうに従って次第に細くなるテーパ導波路５０７とすることにより、入射端面におけるモード径を大きくする工夫がなされている。
インピーダンス変換部５０３は、広帯域かつ高効率なテーパスロットアンテナ５０６に適合するコプレーナストリップライン５０５と発生部５０２のマイクロストリップライン型の出力端を効率よく結合させるための回路である。したがって、インピーダンス変換部５０３は発生部５０２の導波層の構造と、アンテナ部５０４の構造に依存して適した構成を用いることができる。
本実施例に係る素子が有するアンテナ部５０４は、広帯域かつ高効率なテーパスロットアンテナ５０６を用いているが、勿論これに限定したものではない。例えば、ダイポール、スパイラル、Ｆ型アンテナ、ボータイアンテナなどを用いることができる。また、ホーンアンテナや各種アレイアンテナなどの立体アンテナを集積化してもよい。
（実施例５：伝送媒体結合装置）
本実施例に係る伝送媒体結合装置について、図９を用いて説明する。これは、実施例３に係る電磁波発生素子を用いた伝送媒体結合装置である。これは、内視鏡術始めとするテラヘルツ波の医療応用にとって重要な装置である。図９に示すファイバ結合装置は、伝送媒体６０７に高効率にテラヘルツ波を結合するために、図６に記載の電磁波発生素子にインピーダンス変換部６０３を備えた構成となっている。本実施形態では伝送媒体６０７は２本の平行な金属線６０８と誘電体クラッド６０９から構成される平行線路により構成されているが、勿論これに限定したものではない。例えば、誘電体ファイバ、単線線路、中空導波路等、各種伝送媒体を用いることができる。
本実施例に係る伝送媒体結合装置について、図９を用いて説明する。これは、実施例３に係る電磁波発生素子を用いた伝送媒体結合装置である。これは、内視鏡術始めとするテラヘルツ波の医療応用にとって重要な装置である。図９に示すファイバ結合装置は、伝送媒体６０７に高効率にテラヘルツ波を結合するために、図６に記載の電磁波発生素子にインピーダンス変換部６０３を備えた構成となっている。本実施形態では伝送媒体６０７は２本の平行な金属線６０８と誘電体クラッド６０９から構成される平行線路により構成されているが、勿論これに限定したものではない。例えば、誘電体ファイバ、単線線路、中空導波路等、各種伝送媒体を用いることができる。
以上のように、本発明の電磁波発生素子は、出力端が導波路構造となっていることから、簡易なインピーダンス変換部を介して、多様な伝送媒体に接続することができる。
１１ 発生層
１２ 導波層
１３ 第１の閉じ込め層
１４ 第２の閉じ込め層
１５ 調整層
２０ 励起光
２１ 第１のテラヘルツ波
２２ 第２のテラヘルツ波
２３ 励起光
２４ 電極
１０１、２０１ 基板
１０２、２０２、６０５ 下部閉じ込め層
１０３、２０３ 発生層
１０４、２０４ 調整層
１０５ 導波層
１０６、２０７、６０４ 上部閉じ込め層
１０７、２０８ 電極
１０８、２０９ 電圧源
２０５ 第一の導波層
２０６ 第二の導波層
３０１、５０１、６０１ 入射結合部
３０２、５０２、６０２ 発生部
３０３ センサ部
３０４、４０８ 検出部
３０５、３０６、６０６ 光ファイバ
３０７ 保護層
３１２ 検体保持部
３１３ 検出層
４０１ フェムト秒パルス光源
４０２ ビームスプリッタ
４０３ 波長変換器
４０４ 電磁波発生素子
４０５、４０６、４０９、４１０ 放物面鏡
４１１ 試料
４１２ 走査ステージ
５０３、６０３ インピーダンス変換部
５０４ アンテナ部
５０５ コプレーナストリップライン
５０６ テーパスロットアンテナ
５０７ テーパ導波路
６０７ テラヘルツ伝送媒体
６０８ 金属線
６０９ 誘電体クラッド
１２ 導波層
１３ 第１の閉じ込め層
１４ 第２の閉じ込め層
１５ 調整層
２０ 励起光
２１ 第１のテラヘルツ波
２２ 第２のテラヘルツ波
２３ 励起光
２４ 電極
１０１、２０１ 基板
１０２、２０２、６０５ 下部閉じ込め層
１０３、２０３ 発生層
１０４、２０４ 調整層
１０５ 導波層
１０６、２０７、６０４ 上部閉じ込め層
１０７、２０８ 電極
１０８、２０９ 電圧源
２０５ 第一の導波層
２０６ 第二の導波層
３０１、５０１、６０１ 入射結合部
３０２、５０２、６０２ 発生部
３０３ センサ部
３０４、４０８ 検出部
３０５、３０６、６０６ 光ファイバ
３０７ 保護層
３１２ 検体保持部
３１３ 検出層
４０１ フェムト秒パルス光源
４０２ ビームスプリッタ
４０３ 波長変換器
４０４ 電磁波発生素子
４０５、４０６、４０９、４１０ 放物面鏡
４１１ 試料
４１２ 走査ステージ
５０３、６０３ インピーダンス変換部
５０４ アンテナ部
５０５ コプレーナストリップライン
５０６ テーパスロットアンテナ
５０７ テーパ導波路
６０７ テラヘルツ伝送媒体
６０８ 金属線
６０９ 誘電体クラッド
Claims (9)
- テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子であって、
励起光が入射することにより前記テラヘルツ波が発生する発生層と、
前記励起光と前記発生層で発生した前記テラヘルツ波とを伝播する導波層と、
前記導波層を伝播する前記テラヘルツ波を反射する第１の閉じ込め層と、を備え、
前記発生層と前記導波層と前記第１の閉じ込め層とは、前記発生層、前記導波層、前記第１の閉じ込め層の順に積層されており、
前記発生層は、前記励起光が入射することによりキャリアを発生する半導体を含み、
前記導波層から前記発生層の表面上の第１の位置へ入射し且つ前記第１の位置で反射した前記励起光が、前記第１の位置と異なる前記発生層の前記表面上の第２の位置に入射するように構成されていることを特徴とするテラヘルツ波発生素子。 - 前記発生層と前記導波層との間に、前記励起光が前記発生層に吸収される割合を調整する調整層が、配置されていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記導波層は、前記発生層に入射する励起光と前記励起光が前記発生層に入射することにより発生したテラヘルツ波とを透過させる材料を含み、
前記第１の閉じ込め層は、前記導波層を伝播する励起光と前記導波層を伝播するテラヘルツ波とを反射させる材料を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記発生層で発生したテラヘルツ波を反射させる材料を含み構成される第２の閉じ込め層を備え、
前記第２の閉じ込め層、前記発生層、前記導波層、前記第１の閉じ込め層の順に積層されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記発生層の光学膜厚が、前記発生層から発生するテラヘルツ波の波長の１０分の１以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記第２の閉じ込め層は、前記発生層に電界を印加するための電極であることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記導波層の前記励起光に対する屈折率が、前記発生層の前記励起光に対する屈折率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。
- 前記導波層は、前記励起光を伝播する第１の導波層と、前記テラヘルツ波を伝播する第２の導波層と、を有し、
前記第１の導波層の前記励起光に対する屈折率が、前記第２の導波層の前記励起光に対する屈折率よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発生素子。 - 前記調整層の膜厚が、前記励起光の入射端から遠ざかるにつれて徐々に薄くなるように、構成されていることを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波発生素子。
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