JP5735545B2 - テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置 - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置に関する。
分光装置は、今日、さまざまな異なる種類の物質を識別し分析するために、商用及び科学的アプリケーションにおいて広く使用されている。一般的な分光装置において、プローブ信号は、サンプルに送られ、信号の反射された又は透過された部分が、検査下の物質の特徴的なスペクトルを捕えるために分析される。プローブ信号は、概して、赤外線、可視光又はマイクロ波の周波数レンジの電磁放射線であるが、電子又はフォノンが使用されることもできる。プローブ信号の選択は、調べられるべき材料特性に関連する。
近年、テラヘルツ（ＴＨｚ）放射線（電磁スペクトルのマイクロ波と赤外光の間に位置するレンジ）が、可能性があるその広範な科学的及び商用アプリケーションに関して、科学的及び工学的団体の関心を引いている。いくつかの分子の振動モードが、スペクトルのこの部分にあり、水が、それらの周波数をもつ電磁波を非常に容易に遮るという事実は、ＴＨｚ放射線を、赤外線プローブ信号又は他のタイプのプローブ信号によって通常はアクセスできない材料特性を調べるのに適したプローブにする。
ＴＨｚ信号を検出し生成する可能性に関連する技術的な困難さは、長い期間、完全なＴＨｚスペクトロメータの開発を妨げてきたが、今日では、世界のいくつかのグループが、そのようにＴＨｚ放射線を使用する実現性を実証しており、いくつかの商用ＴＨｚイメージング及び分光装置が入手可能にもなっている。
最新技術のＴＨｚ分光装置は、ガリウムヒ素ＴＨｚエミッタを励起するための短光パルスを生成することが可能なフェムト秒レーザ源に基づく。生成されたＴＨｚ放射線は、サンプルへ向けて送られ、透過された又は反射された信号が、再びレーザパルスを使用してサンプリングされる。この原理に従って動作する透過（図１）及び反射（図２）スペクトロメータの概略図が、図１及び図２にそれぞれ示されている。図１は、フェムト秒レーザ２００、走査光学遅延ライン２０１、テラヘルツ送信器２０２、複数の放物面鏡２０３、サンプル２０４、テラヘルツ検出器２０５、電流プリアンプ２０６、及びＡ／Ｄ変換器及びＤＳＰ（デジタル信号処理）ユニット２０７を示す。図２は、反射ジオメトリの同様の構造を示す。このタイプの装置は、米国特許第６，７４７，７３６号明細書に記述されている。
このような周波数帯域で分光を実施する他の装置は、後進波発振器（backward wave oscillators、BWO）を使用する。
両方のソリューションは、大きくてかさばるディスクリートコンポーネントに基づく。ＢＷＯは、関心のある周波数レンジにおいて非常に非効率であると考えられ、フェムト秒レーザは、非常に大きく、高価なままである。
J. S. Bostak他による「All-electronic terahertz spectroscopy device with terahertz free-space pulses」(J. Opt. Soc. Am. B, 11, No. 12, Dec. 1994)に記述される問題に対する別のアプローチは、ＴＨｚレンジに達するスペクトルコンテントを有する非常に短いパルスの生成のために非線形伝送線路を使用する。このような全電子分光装置の概略図が、図３に示されている。上述の装置のように、この電子ＴＨｚスペクトロメータは、ディスクリートの、ゆえにかなり大きなコンポーネントに基づく。６．０ＧＨｚの信号が、外部シンセサイザ１００によって生成され、アンテナに組み込まれる非線形伝送線路１０６に達する前に、３０ｄＢｍ増幅器１０３によって増幅される。６．０ＧＨｚのソース信号は、非線形伝送線路１０６によってＴＨｚパルスに圧縮され、アンテナによって送信される。ビームは、シリコンレンズによって収集されフォーカスされ、外部放物面鏡１０８によって再びフォーカスされる。同様な装置が、（他の外部放物面鏡１０８を含む）受信器側に存在し、検出器は、サンプリングされる信号及び他の外部シンセサイザ１０１からの信号によって駆動される全電子２ダイオードサンプラによって構成される。他の外部シンセサイザ１０１からの信号は、３０ｄＢｍ増幅器１０４によって増幅され、非線形伝送線路１０７によって圧縮される。このようにして生成されるＩＦ信号（中間周波信号）は、（低雑音増幅器１１０によって）増幅され、（例えばスペクトル分析器又はオシロスコープによって形成されることができる）外部機器１０９上に視覚化される。外部機器１０９へトリガ信号を出力するミキサ１０５が設けられる。位相ロック用の１０ＭＨｚ基準クロック１０２が、外部シンセサイザ１００によって他の外部シンセサイザ１０１に供給される。この装置の機能は、上述の文献に記載されている。（一方は、レーザに基づき、他方は後進波発振器に基づく）上述のアプローチと同様に、この装置は、いくつかのディスクリートコンポーネントに更に基づき、２又は３の外部測定機器を使用する。結果として、それは、広範な低コストの商用アプリケーションに適さない。
特開平２００７―０７８６２１から、表面プラズモン共鳴を使用して導体セクションの近傍の試料に関する情報を得るセンシング装置が知られている。レーザ光は、ＴＨｚ周波数領域を含む電磁波を生成し結合し、電磁波を導体セクションに結合するために使用される。
国際公開第２００８／１０５８８８号パンフレットから、放射線源及び放射線源に隣接して配置される一体型の検知プローブを有する検出器が知られている。放射線源は、例えばテラヘルツ放射線源である。一体型の検知プローブは、基板、波形反射面及び同軸導波路チップを有する同軸導波路構造を有する。波形反射体表面は、放射線を表面プラズモンポラリトンに結合することによって、チップを通じて放射線の透過性を強化するように機能する。収集光学系を含みうる検出システムは、部分的に透明なサンプル基板の場合にはサンプルの下に配置されることができ、又は散乱信号を測定するためにサンプルのわきに配置されることができ、又は反射された放射線を測定するために基板側のサンプルの上方に配置されることができ、又は導波路チップによって共鳴の離調を測定するために導波路チップの上方で共振器に結合されることができる。
国際公開第２００６／１２３１５３号パンフレットから、テラヘルツ放射線の導波構造は知られており、表面プラズモン概念が、全光学テラヘルツ生成のために適用される。フェムト秒パルスレーザビームが、テラヘルツ放射線を生成するために使用される。テラヘルツ放射線は、表面プラズモンによって導波構造のインタフェースに沿って伝播する。エバネッセント波は空気へのテールを有し、ガス又は生物医学的物質を検出する又は検知するために使用されることができる。
本発明の目的は、広範な低コストの商用アプリケーションに適した、テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置を提供することである。更に、この装置は、感度を増大すべきである。
この目的は、請求項１に記載のテラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置によって達成される。装置は、電磁ＴＨｚ信号を生成するＴＨｚ信号発生器を有する送信器であって、ＴＨｚ信号発生器が非線形伝送線路を有する、送信器と、ＴＨｚ信号を表面プラズモンポラリトンに変換するように構成される表面プラズモンポラリトン生成ユニットと、を有する。送信器及び表面プラズモンポラリトン生成ユニットは、１つの共通基板に又は２つの別個の基板に組み込まれる。装置において、ＴＨｚ信号発生器を有する送信器及び表面プラズモンポラリトン生成ユニットは、１つの共通基板に又は２つの別個の基板に組み込まれる。このように、ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンを生成するためのすべてのコンポーネントが、基板又は２つの基板にそれぞれ組み込まれ、装置は、低コストの商用アプリケーションに適した非常にコンパクトな態様で提供される。好適には、基板は、半導体基板であり、又は２つの基板の場合には、基板は、２つの半導体基板である。例えば、１つの基板は、ＴＨｚ能動部品、すなわち非線形伝送線路（ＮＬＴＬ）及び（複数）発振器を含むことができ、第２の（より低コストの）基板は、プラズモン部品を含むことができる。更に、このソリューションは、低コストの商用アプリケーションに適した非常にコンパクトで集積された形態を可能にする。表面プラズモンポラリトンが利用されるので、サンプルを分析するための増大された感度が達成される。非線形伝送線路を利用することは、所望のＴＨｚ周波数スペクトルを達成することを信頼性をもって実現可能にする。
好適には、表面プラズモンポラリトン生成ユニットは、少なくとも１つの放射素子及び少なくとも１つの指向性生成構造を有する。例えば、放射素子は、アンテナのような構造によって形成されることができる。この場合、満足な指向性を有する表面プラズモンポラリトンが生成されることができ、装置は、大部分の放射線パワーが自由空間放射線から表面波に変えられるように、最適化されることができる。例えば、適切な放射線素子は、マイクロストリップ（パッチ）アンテナ又はスロット（開口）アンテナである。これらのタイプのアンテナは、平行板導波路のエッジが動作するようなやり方で、広範囲の動作周波数にわたる表面波を送り出すことができることが分かった。パワーは、指向性生成構造によって、基板に沿って特定の方向に指向されることができ、指向性生成構造は、反射体、空洞、放射素子の特定の形状によって、又は放射素子の適切に配置されたアレイによって、形成されることができる。表面プラズモンポラリトン生成ユニットは、例えば、半導体プロセス技術の標準金属スタックを使用して組み込まれることができる。しかしながら、表面プラズモンポラリトン生成ユニットは、例えば添加金属、半導体、及び／又は半導体チップによって形成される基板の表面に後処理される誘電体（例えば有機誘電体層、銅又はアルミニウム）を含むことができる。より厚い誘電層及びより高い比誘電率が、表面プラズモン生成ユニットの結合効率を最適化しつつ、より多くのエネルギーをＴＨｚ表面プラズモンポラリトンに結合させることに注意すべきである。
装置は更に、表面プラズモンポラリトンをサンプルと相互作用させるように構成されるＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサを有する。２つの基板の場合、ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサは、好適には、表面プラズモンポラリトン生成ユニットを有する同じ基板に組み込まれる。この場合、分析されるサンプルの特性を実際に検知するように構成されるセンサが、１又は複数の基板上に、従って非常にコンパクトなやり方で、それぞれ含められる。表面プラズモンポラリトンセンサは、伝播表面プラズモンポラリトン又は局所化された表面プラズモンポラリトンが励起されることができる導電表面層によって形成されることができる。ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサの材料は、例えば金属、ドープされた半導体又は適当な電荷キャリア濃度を有するドープされない半導体でありうる。導電層は、例えば厚くてもよく（すなわち、導体スキンデプスよりずっと大きい）又は薄くてもよい（導体スキンデプスと同等又はそれより小さい）。所望の感度を達成するためのいくつかの可能性が存在し、例えば、誘電層でカバーされる平面を供給することによって、又は導体の有効スキンデプス及び表面で磁界強化を増大するためにホールアレイを有する導電表面を構築することによって、又は表面プラズモンポラリトン伝播を操作し、分析されるべきサンプルとの相互作用を増大するように、表面上に１又は複数の導波路を構築することによって、達成される。他の例は、例えば周期的な又は複雑な表面構造を規定することでありえ、これは、結果的に、ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンの共鳴散乱をもたらし、例えば、表面プラズモンポラリトン伝播を減速し、又は共鳴構造に表面プラズモンポラリトンを局所化することによって、分析されるべきサンプルとそれらの相互作用を増大させる。
装置は更に、表面プラズモンポラリトンを電磁ＴＨｚ信号に変換するように構成されるＴＨｚ表面プラズモンポラリトン検出器を含む受信器を具備する。更に、テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置の受信器は、基板又は２つの基板の一方に含められる。このように、広範な低コストの商用アプリケーションに特に適した完全一体型の装置が、提供される。送信器と同様に、ＴＨｚ能動部品は、受動プラズモン部品とは異なる基板に組み込まれることができる。２つの基板は互いに近くに配置される。ＴＨｚ表面プラズモンポラリトン検出器は、例えば、表面プラズモンポラリトン生成ユニットと同様に形成されることができる（しかし、逆の態様で、表面プラズモンポラリトンを電磁ＴＨｚ信号に変換することによって機能する）。１つの見地によれば、表面プラズモンポラリトン検出器は、例えば上述した表面プラズモンポラリトン生成ユニットのアンテナと同様の、少なくとも１つのアンテナを有する。
好適には、受信器は、非線形伝送線路を有する。この場合、信号は、信頼性をもって検出されることができる。受信器が、２ダイオードサンプリングブリッジを含む場合、受信信号は、局所的に生成されたパルス又は衝撃波を使用して、信頼性をもってサンプリングされることができる。
好適には、送信器及び受信器は、各々少なくとも１つの発振器を有する。他の可能性は、送信器（受信器）に位置する２つの発振器によって生成される信号の１つが、受信器（送信器）において使用されることである。
１つの見地によれば、ＴＨｚ信号発生器は、電磁ＴＨｚ信号が衝撃波又はパルスであるように構成される。このように、所望の電磁ＴＨｚ信号が、発振器、増幅器及び非線形伝送線路を使用して、又はソリトン発振器を使用して、好都合に生成されることができる。１つの実現例において、ＴＨｚ信号発生器は、ソリトン発振器であり、ソリトン発振器は、増幅器、及び増幅器のフィードバックループ内にある非線形伝送線路を有する。このような実現例は、２９３ｐｓの半値全幅（ＦＷＨＭ）のパルスを供給することができ、１ｐｓまでの低いＦＷＨＭの見込みを示すことが分かった。
好適には、装置は更に、アナログ低周波ＩＦ出力を有する。この場合、検知された信号は、アナログ低周波ＩＦ（中間周波数）出力を通じて、更なる分析のために出力される。ＩＦ出力信号は低周波信号であるので、それは、通常の技法によって好都合に分析されることができる。分析は、例えばＣＭＯＳ技術で実現されうる他のチップにおいて実施されることができる。装置が更に、ＡＤ変換器及びデジタル信号処理ユニットを有する場合、分析は、装置内で行われることができ、検知及び分析の両方が、空間を節約する態様で実現される。
１つの見地によれば、装置は、イメージング装置又は分光装置であり、好適には、医用画像取得装置又は医用分光装置である。本発明の考えられる使用は、ＴＨｚ帯域の分光測定の分野にある。これは、比較的新しい分野であるが、医学及び生物学におけるいくつかのアプリケーションがすでに知られている。更に、商用アプリケーションがすでに利用可能であるが、今日の機器の寸法及びコストが、このような技法のより広範な使用を妨げている。本発明によれば、ＴＨｚ分光測定は、信頼性が高く、低コストで真に機動性のある技術になる。低コストで完全一体型のＴＨｚ分光器は、物質の識別及び分析のために、医学及び生物学における広範な使用に利用できるようになりうる。このような低コストの分光器は、不法薬物検出のために警官に提供されることができ、又は税関において特定の物質を検出するために提供されることができる。更に空港において、タルカムパウダのような無害な物質が、他の禁止物質と区別されることができる。更に、医薬品工業におけるアプリケーションが可能である。この分野では、商用アプリケーションは、製薬会社のコストの大きい低減を伴うＴＨｚ分光測定を使用して、非破壊的なやり方で同じ薬の２つの異形体を識別するためにすでに利用可能である。装置は更に、例えば皮膚病を検出するためにヒト皮膚のような生物組織をイメージングするために使用されることができる。
明細書全体にわたって、「電磁ＴＨｚ放射線」及び「電磁ＴＨｚ信号」という語が、自由空間ＴＨｚ放射線及び導波されたＴＨｚ放射線（及び対応する信号）を記述するために使用されることに注意すべきである。対照的に、（ＴＨｚ）表面プラズモンポラリトンは、この語によってカバーされるべきでなく、表面プラズモンポラリトンと明示的に呼ばれる。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して実施形態の詳細な説明から明らかになる。
第１の実施形態
以下、本発明の第１の実施形態について図４を参照して記述する。図４に概略的に示されるテラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置は、完全一体型のＴＨｚイメージング／分光装置であり、特に完全一体型のラボオンチップのテラヘルツ分光装置である。
以下、本発明の第１の実施形態について図４を参照して記述する。図４に概略的に示されるテラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置は、完全一体型のＴＨｚイメージング／分光装置であり、特に完全一体型のラボオンチップのテラヘルツ分光装置である。
実施形態において、テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置のすべてのコンポーネントは、半導体基板２（半導体チップ）に組み込まれる（集積される）。今日の技術では、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）が、装置の実現のために使用されるに最も適した半導体でありえ、従って、明細書の残りの部分において、ＧａＡｓ基板が、半導体基板２として考えられるが、シリコンのような他の材料が、それらの性能が十分に良好である場合に将来使用されることができる。代替例として、コストを減らすために、２つの基板が、使用されることができ、１つは、能動部品（発振器及び非線形伝送線路）用であり、より低コストのもう１つは、受動部品（表面プラズモンポラリトン生成ユニット及び表面プラズモンポラリトンセンサ）用である。
チップは、送信部分（送信器）３及び受信部分（受信器）４によって構成され、両方とも半導体基板２に組み込まれる。チップは、チップへのダメージを防ぐために、プラスチックパッケージを備える。送受信部分の動作原理は、「All-electronic terahertz spectroscopy device with terahertz free-space pulses」（上記参照）に記述され、図３に示されるものと部分的に対応する。しかしながら、実施形態によるイメージング／分光装置１では、すべてのコンポーネントは、半導体基板２（又は２つの近くに配置された基板）に組み込まれ、表面プラズモンポラリトンが、サンプルの特性を検知するために利用され、それにより、一層高い感度を達成することを可能にする。
最初に、送信部分３の伝送路が記述される。例えば、ＧａＡｓ又は他の適切な半導体技術の標準トランジスタにより構成される発振器５は、６ＧＨｚの正弦マイクロ波信号を生成する。増幅器６は、信号のレベルを適切なパワーにもっていくために使用される。非線形伝送線路７は、入力正弦波信号を、非常に広いスペクトルコンテント（最高１ＴＨｚ又はそれ以上）をもつ電磁ＴＨｚ信号（衝撃波）に圧縮するために使用される。発振器５、増幅器６及び非線形伝送線路７は、一緒になって、ＴＨｚ信号発生器を形成する。この点から、当該周波数は、信号に対する他のいかなる動作も標準の半導体トランジスタでは可能でないくらい高い。非線形伝送線路７は、線形コプラナー導波路、又は例えば逆バイアスされるショットキダイオードのような非線形容量によって周期的にロードされる他の適切な伝送線路構造によって構成される。非線形容量は、（広いスペクトルコンテントをもつ）衝撃波を形成する役目を担う。このような衝撃波の形成は、例えばD.W. van der Weideによる「Delta-doped Schottky diode nonlinear transmission lines for 480 fs 3.5-V transients」(Appl. Phys. Lett. 65, pp 881-883, Aug. 1994)に記述されている。
生成された衝撃波は、電磁ＴＨｚ信号である電磁ＴＨｚ衝撃波を表面プラズモンポラリトンに変換する表面プラズモンポラリトン生成ユニット８に送信される。表面プラズモンポラリトン生成ユニット８は、衝撃波／ソリトン―プラズモン（shock/soliton-plasmon）変換器を表すＳＰ変換器とも呼ばれる。表面プラズモンポラリトン生成ユニット８は、ＴＨｚパルスをＴＨｚ表面プラズモンポラリトンに変換するために使用される受動ブロックである。ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンは、導体（例えば金属）と誘電体との間のインタフェースにおいて電子振動と結合される電磁波である。実施形態の表面プラズモンポラリトン生成ユニット８を形成するＳＰ変換器は、放射素子（例えばアンテナのような構造）、反射体又はその放射線の指向性を生成する空洞（指向性生成構造とも呼ばれる）、及び表面プラズモンポラリトンへの接続又は移行を含む。テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置１は、大部分の放射線パワーが、電磁放射線から表面波へ、すなわち表面プラズモンポラリトンへ変えられるように、最適化される。表面プラズモンポラリトン生成ユニット８の放射素子は、例えば、１又は複数のマイクロストリップ（パッチ）アンテナによって、又は１又は複数のスロット（開口）アンテナによって、形成されうる。このようなアンテナは、広範な動作周波数にわたる表面波を送り出すことができることが分かっている。パワーは、指向性生成構造によって、基板に沿って特定の方向に指向され、指向性生成構造は、例えば、反射体、空洞、放射素子の適当な形状によって、又は放射素子の適切に配置されたアレイによって、形成されることができる。例えば、ＳＰ変換器は、半導体プロセス技術の標準金属スタックを使用して、それぞれの基板に組み込まれることができる。しかしながら、ＳＰ変換器は更に、添加金属、半導体、及び／又は例えば有機誘電体層、銅及び／又はアルミニウムのような誘電層を含むことができる。例えば、これらの付加のコンポーネントは、基板である半導体チップの表面に後処理されることができる。
表面プラズモンポラリトン生成ユニット８によって生成される表面プラズモンポラリトンは、生成された表面プラズモンポラリトンをサンプル１０と相互作用させるように構成されるＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサ９へ送られる。表面プラズモンポラリトンとサンプル１０との間の相互作用は、図４の両矢印によって概略的に示される。ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサ９は、テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置１のコンポーネントであり、かかるセンサにおいて、プローブ信号（表面プラズモンポラリトン）とサンプル１０との間の相互作用が生じる。ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサ９は、伝播表面プラズモンポラリトン又は（ＴＨｚ周波数レンジの）局所化された表面プラズモンポラリトンが励起されることができる導電表面を有する。表面プラズモンポラリトンは、表面における電磁場振幅の増強及び増大された感度をもたらす。
装置の動作時、分析されるべきサンプル１０は、磁界振幅が大きい位置で、表面プラズモンポラリトンセンサ９の導電表面の近くにもってこられる。表面プラズモンポラリトンとサンプル１０との間に生じる相互作用は、例えば表面プラズモン周波数又は表面プラズモン寿命のような表面プラズモンポラリトン特性に対する変更を生じさせ、かかる変更は、検出されることができ、サンプル１０の特性を分析するのに役立つことができる。
表面プラズモンポラリトンセンサ９の材料は、例えば金属、ドープされた半導体、又は適当な電荷キャリア濃度を有するドープされない半導体でありうる。表面プラズモンポラリトンセンサ９の導電表面がどのように形成されることができるかについて、さまざなま異なる可能性がある。例えば、導電層は、厚くてもよく（すなわち、ＴＨｚ周波数レンジに関する導体スキンデプスより非常に大きい）又は薄くてもよい（すなわち導体スキンデプスと同等又はそれより小さい）。表面への電磁場制限を強化するとともに、装置の感度を増大するためのいくつかの可能性が存在する。
例えば、１つの例によれば、誘電層を有する平面をカバーすることが可能である。このような装置は、J. Saxler他による「Time domain measurements of surface plasmon polaritons in the THz frequency domain」(Phys. Rev. B 69, 155427 (2004))に示されている。
他の例によれば、導電表面は、J.B. Pendry他による「Mimicking surface plasmons with structured surfaces」(Science 305, 847 (2004))に提案されるように、導体の有効スキンデプスを増大し、表面における磁界を強化するために、ホールアレイによって構築されることができる。
他の例によれば、１又は複数の導波路が、表面プラズモンポラリトン伝播を操作し、サンプル１０との相互作用を増大するために、表面上に構築されることができる。
他の例は、ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンの共鳴散乱をもたらす周期的な又は複雑な構造を含み、かかる構造は、「Propagation of surface plasmon polaritons on semiconductor gratings」(Phys. Rev. Lett., 93, 256804 (2004))に記述されるように、例えば表面プラズモンポラリトン伝播の減速によって、又は共鳴構造に表面プラズモンポラリトンを局所化することによって、サンプルとの相互作用を増大させる。
受信部４の受信器経路は、以下のように働く：サンプル１０との相互作用の後、プローブ信号（すなわち変更された表面プラズモンポラリトン）は、受信部分４の一部であるＴＨｚ表面プラズモンポラリトン検出器１１を形成する他のＳＰ変換器によって受信される。ＴＨｚ表面プラズモンポラリトン検出器１１は、ＴＨｚ表面プラズモンポラリトン生成ユニット８に類似して形成されることができる。ＴＨｚ表面プラズモンポラリトン検出器１１は、表面プラズモンポラリトンが例えば一体型のアンテナによって受信され、電磁放射線に変換されるように、動作する。言い換えると、ＴＨｚ表面プラズモンポラリトン検出器１１は、表面プラズモンポラリトン生成ユニット８と逆の態様で動作する。ＴＨｚ表面プラズモンポラリトン検出器１１からの電磁信号は、他の非線形伝送線路（ＮＬＴＬ）１６から到来する衝撃波信号によって駆動される２ダイオードサンプリングブリッジ１５を使用して、サンプリングされる。送信器部分３と同様に、衝撃波は、一体型発振器１８から到来し、増幅器１９によって増幅される正弦波信号を圧縮して生成される。ダイオードサンプリングブリッジ１５（文献（例えばR.A. Marshland他による「Monolithic integrated circuits for mm-wave instrumentation」(IEEE GaAs IC Symposium, Oct. 1990)又は「130 GHz GaAs monolithic integrated circuit sampling head」(Appl. Phys. Lett., 55, pp 592-594, Aug. 1989)に記述された知られているコンポーネントである）は、受信信号をサンプリングするために、局所的に生成されるパルスを使用する。ダイオードサンプリングブリッジ１５は、半導体基板２（又は、代替の例では基板の一方）に組み込まれる。例えば、送信器及び受信器発振器５、１８は、概略的に２０に示されるように位相ロックされることができる。低周波ＩＦ出力２１は、例えば別の（例えばＣＭＯＳ）チップにおいて実施されることができる他の分析のための半導体基板２上に提供される。
第２の実施形態
以下、第２の実施形態について図５を参照して記述する。第１の実施形態に従ってテラヘルツ周波数レンジのサンプルを使用して放射線を分析する装置３０において、ＴＨｚパルスは、非線形伝送線路を使用して生成される衝撃波から生成される。広帯域短パルスを生成する少なくとも別の方法が、知られており、テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置に使用されることができることに注意すべきである。この他の方法は、第２の実施形態に関して記述される。
以下、第２の実施形態について図５を参照して記述する。第１の実施形態に従ってテラヘルツ周波数レンジのサンプルを使用して放射線を分析する装置３０において、ＴＨｚパルスは、非線形伝送線路を使用して生成される衝撃波から生成される。広帯域短パルスを生成する少なくとも別の方法が、知られており、テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置に使用されることができることに注意すべきである。この他の方法は、第２の実施形態に関して記述される。
第２の実施形態の全体の装置は、第１の実施形態に関して上述した構造に基づく。従って、同様のコンポーネントは、同様の参照符号によって示されており、それらの記述は省かれる。しかしながら、広帯域短パルスを生成する方法は、第１の実施形態と異なる。この方法は、最近導入されたソリトン発振器５１に基づく。ソリトン発振器５１は、そのフィードバックループに非線形伝送線路（ＮＬＴＬ）５２を有する特別な増幅器５３によって構成される。このような装置は、D. S. Ricketts、D. Hamによる「A chip-scale electrical soliton modelocked oscillator」(IEEE International Solid-State Circuits Conference, 2006)に開示されている。この回路トポロジは、２９３ｐｓの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するパルスを生成することが可能であることが実際に示されており、１ｐｓまでのより低い幅の見込みを示す。ソリトン発振器を使用して、テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置は、図５に概略的に示されるように構成される。
送信部分３は、非線形伝送線路５２及び特別な増幅器５３を有するソリトン発振器５１を備える。この実施形態において、ソリトン発振器は、ＴＨｚ信号発生器を形成する。
同様に、受信部分４は、他の非線形伝送線路５５及び他の特別な増幅器５６を含む他のソリトン発振器５４を有する。例えば、２つのソリトン発振器は、両矢印２０によって概略的に示されるように、位相ロックされる。動作原理は、第１の実施形態のものと同様であるが、ここでは、表面プラズモンポラリトン生成ユニット８に入力される電磁信号及びサンプリングブリッジ１５に入力されるサンプル信号は、ソリトン発振器によって生成されるソリトンである。再び、ＴＨｚ能動部分及びプラズモン部分は、２つの異なる基板に組み込まれることができ、これは、更なるコスト低減を可能にする。
両方の実施形態は、ＴＨｚ信号の生成及び検出のためのある種のフロントエンドを記述する。中間周波数（ＩＦ）出力２１は、結果の分析のためにＡ／Ｄ変換器及びＤＳＰ（デジタル信号処理ユニット）を含むＣＭＯＳ回路の入力として使用されることができる。
ただ２つのチップによって本質的に構成されるこの装置（ＴＨｚフロントエンドチップ１、３０及びＣＭＯＳチップ）は、データ解析及び適切なディスプレイ上の可視化を含む完全なラボオンチップＴＨｚスペクトロメータでありうる。既存のＴＨｚスペクトロメータと比較して、提案される装置は、サイズ、パワー消費及びコストに関して有利である。
要するに、テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する完全一体型の装置が提供され、この装置は、完全一体型のＴＨｚスペクトロメータとしての役割を果たしうる。装置は、非線形伝送線路又は最近導入されたソリトン発振器、ＴＨｚパルスをＴＨｚ表面プラズモンポラリトンに変換する表面プラズモンソリトン生成ユニット、及びＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサ、に基づく。この装置において、ＴＨｚ放射線及び表面プラズモンポラリトンを生成し検出するすべての素子は、１つのマイクロチップ又は一緒に近くに配置される２つのマイクロチップ（例えばガリウムヒ素又は別の適切な半導体から作られる）に組み込まれ、ラボオンチップ形式でパッケージされる。
従って、両方の実施形態において、装置は、以下のフィーチャを含む：
−ＴＨｚパルスを生成するための非線形伝送線路；
−ＴＨｚ信号（衝撃波又はソリトン）を表面プラズモンポラリトンに変換するために使用される表面プラズモンポラリトン生成ユニット（ＳＰ変換器）；
−ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサ；
−すべてのコンポーネントは、ラボオンチップを形成するように一緒にアセンブルされる。
−ＴＨｚパルスを生成するための非線形伝送線路；
−ＴＨｚ信号（衝撃波又はソリトン）を表面プラズモンポラリトンに変換するために使用される表面プラズモンポラリトン生成ユニット（ＳＰ変換器）；
−ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサ；
−すべてのコンポーネントは、ラボオンチップを形成するように一緒にアセンブルされる。
完全一体型の全電子ラボオンチップテラヘルツ（ＴＨｚ）分光システムが提示される。既存のＴＨｚスペクトロメータと異なり、これは、医学、生物学及び医薬検査室における分光測定のより広範な使用を可能にすることができる、真に低コストの可搬装置である。空港又は他の機密に関わるロケーションにおけるセキュリティアプリケーションのための使用が更に可能である。低コスト及び使い易さを考慮して、コンシューマエレクトロニクスの新しいアプリケーションが更に導入されることができる。加えて、ＴＨｚフロントエンドは、新しく安全なイメージングツールのための基本の構成要素として使用されることができる。レーザ又はチューブ装置に基づく今日のＴＨｚ装置とは逆に、提案される装置は、完全一体型であり、完全に電子的である。提案される装置は、非線形伝送線路又は最近導入されたソリトン発振器に基づく。
自由空間電磁放射線の表面プラズモンポラリトンへの変換又はその逆が記述されているが、本発明は、これに限定されず、更に、導波される放射線の表面プラズモンポラリトンへの変換及びその逆もカバーされることに注意すべきである。
上述の実施形態は、本発明を制限するよりものではなく、説明するものであり、当業者であれば、添付の請求項の範囲を逸脱することなく多くの代替の実施形態を設計することが可能であることに注意すべきである。請求項において、括弧に示される参照符号は、請求項を制限するものとして解釈されるべきでない。「含む、有する」という語は、請求項に挙げられるもの以外の構成要素又はステップの存在を除外しない。構成要素に先行する「a」又は「an」という語は、このような構成要素の複数の存在を除外しない。本発明は、いくつかの別個の構成要素を含むハードウェアによって、及び適切にプログラムされたコンピュータによって、実現されることが可能である。いくつかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段のいくつかは、コンピュータ可読ソフトウェア又はハードウェアの同じ１つのアイテムによって具体化されることができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。
Claims (13)
- テラヘルツ周波数レンジの放射線を使用してサンプルを分析する装置であって、
電磁ＴＨｚ信号を生成するＴＨｚ信号発生器を有する送信器であって、前記ＴＨｚ信号発生器が非線形伝送線路を有する、送信器と、
前記ＴＨｚ信号を表面プラズモンポラリトンに変換するように構成される表面プラズモンポラリトン生成ユニットと、
前記生成された表面プラズモンポラリトンを前記サンプルと相互作用させるように構成されるＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサと、
表面プラズモンポラリトンを電磁ＴＨｚ信号に変換するように構成されるＴＨｚ表面プラズモンポラリトン検出器を有する受信器と、
を有し、
前記送信器、前記表面プラズモンポラリトン生成ユニット及び前記受信器は、１つの共通基板に又は２つの別個の基板に組み込まれ、ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンを生成するためのすべてのコンポーネントが、前記共通基板又は前記別個の基板に組み込まれる、装置。 - 前記表面プラズモンポラリトン生成ユニットは、少なくとも１つの放射素子及び少なくとも１つの指向性生成構造を有する、請求項１に記載の装置。
- 前記ＴＨｚ表面プラズモンポラリトンセンサは、伝播表面プラズモンポラリトン又は局所化された表面プラズモンポラリトンが励起されることができるように適応された導電表面を有する、請求項１又は２に記載の装置。
- 前記表面プラズモンポラリトン検出器は、少なくとも１つのアンテナを有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
- 前記受信器は、非線形伝送線路を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
- 前記受信器は、２ダイオードサンプリングブリッジを有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
- 前記送信器及び前記受信器の各々が、少なくとも１つの発振器を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
- 前記ＴＨｚ信号発生器は、前記電磁ＴＨｚ信号が衝撃波又はパルスであるように構成される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
- 前記ＴＨｚ信号発生器は、ソリトン発振器であり、前記ソリトン発振器は、増幅器、及び前記増幅器のフィードバックループ内にある非線形伝送線路を有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
- 前記装置は更に、アナログ低周波ＩＦ出力を有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
- 前記装置は更に、アナログデジタル変換器及びデジタル信号処理ユニットを有する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
- 前記装置がイメージング装置又は分光装置である、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
- 前記装置が医用画像取得装置又は医用分光装置である、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の装置。
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