JP6340163B2 - 多重トンネルを有する電磁波発振器及び該電磁波発振器を含む電磁波発生装置 - Google Patents

多重トンネルを有する電磁波発振器及び該電磁波発振器を含む電磁波発生装置 Download PDF

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Description

本発明は、多重トンネルを有する電磁波発振器、及び該電磁波発振器を含む電磁波発生装置に係り、特に、テラヘルツ帯域の電磁波を発振させるための電磁波発振器、及び該電磁波発振器を含む電磁波発生装置に関する。
マイクロ波周波数帯域と光学周波数帯域との間に置かれているテラヘルツ（terahertz；１０１２ＨＺ）周波数帯域は、例えば、分子光学、生物物理学（biophysics）、医学（medical）、分光学（spectroscopy）、可視化（imaging）、安全保障（security）などの分野で、非常に重要な周波数帯域になると期待されている。しかし、そのようなテラヘルツ帯域の重要性にもかかわらず、物理的及び工学的な限界によって、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツの発振器や増幅器の開発は十分ではない。最近では、さまざまな新たな理論及び微細加工技術が発達してきたことで、テラヘルツの発振器や増幅器の開発が試みられている。
例えば、既存のマイクロ波帯域のさまざまな発振器の周波数を高めたり、あるいは半導体レーザやフェムト秒レーザのような光学デバイスを利用し、動作周波数をテラヘルツ帯域に変更させるようなさまざまな方法が試みられている。また、最近では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：micro electro mechanical system）技術で製造された三次元微細構造物を利用し、小型化されたテラヘルツ発振器を作るための様々な方法が提案されている。
ＭＥＭＳ技術を利用したテラヘルツ発振器の例として、後進波発振器（backward-wave oscillator）がある。後進波発振器は、電子銃から放出された電子ビームを電磁波と相互作用させてテラヘルツ波を発振させるために、電磁波を共振させるキャビティ内に電子ビーム通路を形成した一種の相互作用回路である。係るテラヘルツ相互作用回路では、電子ビームと電磁波との相互作用によって、電子ビームのエネルギーを電磁波エネルギーに変換する機構が重要である。
本発明の課題は、テラヘルツ帯域の電磁波を発振させるための電磁波発振器、及び該電磁波発振器を含む電磁波発生装置を提供することである。
本発明の一類型によれば、電磁波が通過する際の経路が軸方向と複数回交差するような折り畳み構造を有する第１導波路と、前記軸方向に沿って延びて、かつ、前記第1導波路と複数回交差して、電子ビームを通過させる電子ビームトンネルと、前記電子ビームトンネルと平行に延びて、かつ、前記第1導波路と複数回交差する、少なくとも１本の補助トンネルと、を含む電磁波発振器が提供される。
例えば、前記少なくとも１本の補助トンネルは、前記電子ビームトンネルの上側または下側に配置されてもよい。
また、前記少なくとも１本の補助トンネルは、前記電子ビームトンネルの左側または右側に配置されてもよい。
また、前記少なくとも１本の補助トンネルは、少なくとも２本の補助トンネルを含んでよい。前記少なくとも２本の補助トンネルのうちの一は、前記電子ビームトンネルの上部側または下部側に配置され、前記少なくとも２本の補助トンネルのうちの他は、前記電子ビームトンネルの左側または右側に配置されてもよい。
前記少なくとも２本の補助トンネルが、前記電子ビームトンネルの上部側または下部側で、互いに同一の高さに隣接して配置されてもよい。
また、前記少なくとも２本の補助トンネルが、前記電子ビームトンネルの左側または右側で、互いに異なる高さで隣接して配置されてもよい。
一実施形態によれば、前記第１導波路の折り畳み構造は、前記電子ビームトンネルの両側に、それぞれ対向して配置される複数の結合共振器をそれぞれ含んでもよい。
その場合、前記少なくとも１本の補助トンネルは、前記電子ビームトンネルの左側と前記結合共振器との間、または前記電子ビームトンネルの右側と前記結合共振器との間に配置されてもよい。
前記少なくとも１本の補助トンネルは、少なくとも２本の補助トンネルを含んでよい。前記少なくとも２本の補助トンネルのうちの一は、前記電子ビームトンネルの上部側または下部側に配置され、前記少なくとも２本の補助トンネルのうちの他は、前記電子ビームトンネルの左側と前記結合共振器との間、または前記電子ビームトンネルの右側と前記結合共振器との間に配置されてもよい。
また、前記少なくとも２本の補助トンネルが、前記電子ビームトンネルの左側と前記結合共振器との間、または前記電子ビームトンネルの右側と前記結合共振器との間で、互いに異なる高さで隣接して配置されてもよい。
また、前記電磁波発振器は、前記第１導波路と連結された第１端部と、電磁波出力ポートである第２端部とを有する第２導波路；前記電子ビームトンネルの第１端部と連結して、電子ビームが入射する電子ビーム入力ポート；及び前記電子ビームトンネルの第２端部と連結して、電子ビームを放出する電子ビーム放出ポート；をさらに含んでもよい。
例えば、前記第２導波路は、第１端部で９０°曲折した構造を有し、第２端部に近づくほど幅が広くなるテーパ構造を有してもよい。
一実施形態では、前記電磁波発振器は、第１表面を有する下部構造体と、前記下部構造体の第１表面と接合する第２表面を有する上部構造体と、をさらに含んでもよい。
その場合、前記第１導波路と前記電子ビームトンネルは、前記下部構造体の第１表面及び上部構造体の第２表面にわたって形成されてもよい。前記補助トンネルは、前記下部構造体及び上部構造体のうち少なくとも一つの内部に形成されてもよい。
例えば、前記下部構造体は、１つの第１非貫通孔、及び前記第１非貫通孔の左側又は右側に第２非貫通孔が形成されている第１基板；並びに、１つの第３非貫通孔、及び前記第３非貫通孔の左側又は右側に第１貫通孔が形成されている第２基板；を含んでもよく、ここで、前記第２基板の第１貫通孔は、前記第１基板の第２非貫通孔と対応する位置に形成されてもよい。
また、前記上部構造体は、１つの第１非貫通孔、及び前記第１非貫通孔の左側又は右側に第２非貫通孔が形成されている第３基板；並びに、１つの第３非貫通孔、及び前記第３非貫通孔の左側又は右側に第１貫通孔が形成されている第４基板；を含んでもよい。ここで、前記第４基板の第１貫通孔は、前記第３基板の第２非貫通孔と対応する位置に形成されてもよい。
一実施形態では、前記第２基板と第４基板は、互いに接合されてよい。前記電子ビームトンネルが、前記第２基板の第３貫通孔と、第４基板の第３非貫通孔とによって形成されてもよい。
また、前記第１導波路が、前記第１基板の第２非貫通孔、前記第２基板の第１貫通孔、前記第４基板の第１貫通孔、及び前記第３基板の第２非貫通孔によって形成されてもよい。
また、前記補助トンネルは、前記第１基板の第１非貫通孔、及び前記第３基板の第１非貫通孔によって形成されてもよい。
一実施形態では、前記下部構造体は、前記第１基板と第２基板との間に介在されてよい。前記下部構造体は、１つの第４非貫通孔、及び前記第４非貫通孔の左側又は右側に第２貫通孔が形成されている第５基板をさらに含んでもよい。
また、前記上部構造体は、前記第３基板と第４基板との間に介在されてよい。前記上部構造体は、１つの第４非貫通孔、及び前記第４非貫通孔の左側又は右側に第２貫通孔が形成されている第６基板をさらに含んでもよい。
その場合、前記補助トンネルが、前記第５基板の第４非貫通孔と、前記第６基板の第４非貫通孔とによって形成されてもよい。
前記電磁波発振器は、前記第１基板ないし第６基板の表面に被覆されている金属薄膜層をさらに含んでもよい。
一方、本発明の他の類型によれば、前述の構造を有する電磁波発振器と、前記電磁波発振器に電子ビームを提供する電子銃と、前記電磁波発振器から放出された電子ビームを収集するコレクタと、を含む電磁波発生装置が提供されてもよい。
前記電磁波発振器は、例えば、前記第１導波路内部を進むミリ波、サブミリ波、またはテラヘルツ周波数帯域の電磁波が、前記電子ビームトンネルを進む電子ビームとの相互作用を介して、エネルギーを得るように構成されてもよい。
本発明によれば、テラヘルツ帯域の電磁波を発振させるための電磁波発振器及び該電磁波発振器を含む電磁波発生装置を提供することができる。
一実施形態による電磁波発振器の下部構造体の構造を示す概略的な斜視図である。 一実施形態による電磁波発振器の上部構造体の構造を示す概略的な斜視図である。 図１に図示された下部構造体と、図２に図示された上部構造体とを結合して製造された一実施形態による電磁波発振器、及び前記電磁波発振器を含む電磁波発生装置を概略的に示す斜視図である。 図１に図示された電磁波発振器の下部構造体のＡで表示された一部分のみを拡大した部分拡大図であり、第１導波路と電子ビームトンネルとの構造をさらに詳細に図示する図面である。 図１に図示された電磁波発振器の下部構造体のＡで表示された一部分に係わる変形例を概略的に示す部分拡大図である。 図４Ａ図示された下部構造体のＢ−Ｂ’断面を示す概略的な断面図である。 図５Ａに図示された下部構造体、及びそれと同一構造を有する上部構造体が結合された電磁波発振器のＢ−Ｂ’断面を示す概略的な断面図である。 １本の電子ビームトンネルのみを有する電磁波発振器の共振特性を示すグラフである。 １本の電子ビームトンネルと、２本の補助トンネルとを有する電磁波発振器の共振特性を示すグラフである。 トンネルがない場合と３本のトンネルを有する場合の電磁波発振器の共振特性を比較して示すグラフである。 トンネルがない場合と、３本のトンネルを有する場合との電磁波発振器の出力電磁波の位相特性を比較して示すグラフである。 １本の電子ビームトンネルのみを有する場合と、３本のトンネルを有する場合との電磁波発振器の出力電磁波の強度を比較して示すグラフである。 電子ビームトンネル周囲に形成される補助トンネルの一配置例を例示的に示す断面図である。 電子ビームトンネル周囲に形成される補助トンネルの一配置例を例示的に示す断面図である。 電子ビームトンネル周囲に形成される補助トンネルの一配置例を例示的に示す断面図である。 電子ビームトンネル周囲に形成される補助トンネルの一配置例を例示的に示す断面図である。 電子ビームトンネル周囲に形成される補助トンネルの一配置例を例示的に示す断面図である。 電子ビームトンネル周囲に形成される補助トンネルの一配置例を例示的に示す断面図である。 電子ビームトンネル周囲に形成される補助トンネルの一配置例を例示的に示す断面図である。
以下、添付された図面を参照しつつ、多重トンネルを有する電磁波発振器、及び前記電磁波発振器を含む電磁波発生装置について詳細に説明する。以下の図面で，同一の参照符号は，同一の構成要素を指し、図面上で各構成要素の大きさは，説明の明瞭性と便宜さのために誇張されていることがある。
図１は、一実施形態による電磁波発振器の下部構造体１１０の構造を示す概略的な斜視図である。図１を参照すれば、第１導波路１３０、電子ビームトンネル１３１、及び第２導波路１３４が、電磁波発振器の下部構造体１１０の表面に形成されてよい。例えば、第１導波路１３０は、生成されたテラヘルツ帯域の電磁波が進む通路として機能してよい。電磁波を出力させる第２導波路１３４は、前記第１導波路１３０と連結して、及び前記第１導波路１３０と平行に配置されてよい。電子ビームトンネル１３１は電子ビームが通過する通路として機能してよい。
また、図１に図示されているように、電子ビーム入力ポート１３２と、電子ビーム放出ポート１３３とが電磁波発振器の下部構造体１１０の表面に形成されてもよい。電子ビーム入力ポート１３２は、電子ビームトンネル１３１の一端と連結されて、下部構造体１１０の一側面を貫通して形成されてよい。電子ビーム放出ポート１３３は、電子ビームトンネル１３１の他端と連結されるように、下部構造体１１０の他側面を貫通して形成されてよい。従って、電子ビームは、電子ビーム入力ポート１３２を介して電磁波発振器に入射した後、電子ビームトンネル１３１を通過して、電磁波と相互作用する。その相互作用後の残りの電子ビームが、電子ビーム放出ポート１３３を介して放出される。そしてその相互作用により生成された電磁波が出力されるように、第２導波路１３４の端部には、電磁波出力ポート１３５が、下部構造体１１０の側面を貫通して形成されてよい。第２導波路１３４は、例えば、第１導波路１３０との連結部位で９０°曲折した構造を有し、また、出力ポート１３５に近づくほど幅が広くなるテーパ構造を有してよい。しかし、図１に図示された第２導波路１３４の構造は、例示的なものに過ぎず、必要であれば、他の構造の第２導波路１３４が設計されてもよい。
図２は、一実施形態による電磁波発振器の上部構造体の構造を示す概略的な斜視図である。図２を参照すれば、図１に図示された下部構造体１１０と同様に、第１導波路１３０、第２導波路１３４、電子ビームトンネル１３１、電子ビーム入力ポート１３２、電子ビーム放出ポート１３３及び電磁波出力ポート１３５が、電磁波発振器の上部構造体１２０の表面に形成される。上部構造体１２０の構造は、下部構造体１１０の構造と実質的に同一である。ただし、上部構造体１２０の構造と下部構造体１１０の構造とは鏡面対称の関係である。従って、図２に図示された上部構造体１２０が、図１に図示された下部構造体１１０上に重ねて接合されると、下部構造体１１０の表面に形成された第１導波路１３０、第２導波路１３４、電子ビームトンネル１３１、電子ビーム入力ポート１３２、電子ビーム放出ポート１３３及び電磁波出力ポート１３５が、上部構造体１２０の表面に形成された第１導波路１３０、第２導波路１３４、電子ビームトンネル１３１、電子ビーム入力ポート１３２、電子ビーム放出ポート１３３及び電磁波出力ポート１３５とそれぞれ正確に位置合わせされる。
上述したように、下部構造体１１０上に、上部構造体１２０を接合することにより、第１導波路１３０、第２導波路１３４、電子ビームトンネル１３１、電子ビーム入力ポート１３２、電子ビーム放出ポート１３３及び電磁波出力ポート１３５がそれぞれ完成される。その点で、第１導波路１３０、第２導波路１３４、電子ビームトンネル１３１、電子ビーム入力ポート１３２、電子ビーム放出ポート１３３及び電磁波出力ポート１３５は、下部構造体１１０の表面及び該表面と接合する上部構造体１２０の表面にわたって形成されていると見ることができる。下部構造体１１０上に、上部構造体１２０を接合することにより、第１導波路１３０、第２導波路１３４、電子ビームトンネル１３１、電子ビーム入力ポート１３２、電子ビーム放出ポート１３３及び電磁波出力ポート１３５をその内部に有する１つの電磁波発振器が完成する。
図３は、図１に図示された下部構造体１１０と、図２に図示された上部構造体１２０とを結合して製造された一実施形態による電磁波発振器１００、及び前記電磁波発振器１００を含む電磁波発生装置２００を例示的に示す概略的な斜視図である。図３を参照すれば、電磁波発振器１００は、図１及び図２に図示された下部構造体１１０と、上部構造体１２０とを含む。図３で、電磁波発振器１００の右側には、電子ビーム放出ポート１３３と、電磁波出力ポート１３５とが図示されている。図３に図示されていないが、電磁波発振器１００の左側には、電子ビーム入力ポート１３２が形成されている。
係る電磁波発振器１００は、特に、ミリ波、サブミリ波、またはテラヘルツ周波数帯域の電磁波を発生させる電磁波発生装置２００に使用される。図３を参照すれば、電磁波発生装置２００は、前述の電磁波発振器１００、電子銃２１０及びコレクタ２２０を含んでもよい。電子銃２１０は、電磁波発振器１００に電子ビームを提供するように機能する。電子銃２１０から放出された電子ビームは、電子ビーム入力ポート１３２を介して、電磁波発振器１００に入射する。その後、電子ビームは、電磁波発振器１００内部の電子ビームトンネル１３１に沿って進みつつ、第１導波路１３０で共振する電磁波との相互作用を介して、電磁波にエネルギーを伝達することができる。電磁波にエネルギーを伝達して残った残余電子ビームは、電子ビーム放出ポート１３３に放出され、放出された電子ビームは、コレクタ２２０によって収集される。一方、第１導波路１３０で電子ビームとの相互作用を介して増幅されたテラヘルツ電磁波は、第２導波路１３４を介して電磁波出力ポート１３５に出力される。前述のように、電子ビームは、第１導波路１３０を貫通する電子ビームトンネル１３１に沿って進み、電磁波は、第１導波路１３０で生成された後、第１導波路１３０で、電子ビームとの相互作用を介して増幅される。従って、出力電磁波は、第１導波路１３０と、電子ビームトンネル１３１との構造に大きく影響を受ける。その点で、電子ビームと電磁波との相互作用のための第１導波路１３０と、電子ビームトンネル１３１との構造を最適に設計することが有利である。
図４Ａは、図１に図示された電磁波発振器１００の下部構造体１１０のＡで表示された一部分のみを拡大した部分拡大図であり、第１導波路１３０と、電子ビームトンネル１３１との構造の一例をさらに詳細に図示している。
図４Ａを参照すれば、第１導波路１３０は、軸方向（ここで、軸方向は、電子ビームが進む方向と同一である）に沿って配列された多数の平行な隔壁（barrier rib）１３７を含んでいる。多数の隔壁１３７は、隣接した他の隔壁１３７と互いに噛み合った（interdigitated）状態で、互い違いに配置されている。従って、電磁波は、図４Ａで、細い矢印で表示されたように、第１導波路１３０内をジグザグ状に進むことになる。その点で、第１導波路１３０は、ジグザグ状に多数回反復した折り畳み構造（folded）の導波路と見ることができる。また、同じ方向に配置された隣接する２つの隔壁１３７間の空間は、第１導波路１３０の内部を進む電磁波が共振することができる結合共振器（coupled cavity）１３８として機能する。すなわち、第１導波路１３０は、折り畳み構造を有する導波路であり、導波路が折り畳まれるそれぞれの部分に、結合共振器１３８がそれぞれ形成されている。結合共振器１３８を形成するために、結合共振器１３８が形成される部位の隔壁１３７の厚みは、隔壁１３７の他の部分の厚みより薄くてもよい。
そして、図４Ａに図示されているように、電磁波発振器１００は、多数回反復した折り畳み構造を有する第１導波路１３０を貫通する電子ビームトンネル１３１を含む。たとえ図４Ａには、電子ビームトンネル１３１が単純な溝状に図示されているにしても、図３のように、下部構造体１１０と上部構造体１２０とが結合されれば、完全なトンネルになる。例えば、図４Ａに図示されているように、電子ビームトンネル１３１は、多数の隔壁１３７にそれぞれ連結されており、軸方向に沿って配列された多数のセクションからなる。電子ビームトンネル１３１の一端は、電磁波発振器１００の一側に形成された電子ビーム入力ポート１３２と連結されている。
係る構造で、電子ビーム入力ポート１３２を介して入射された電子ビームは、図４Ａで、太い矢印で表示されたように、電子ビームトンネル１３１に沿って、軸方向に一直線で進むことになる。このとき、電磁気誘導現象によって、電子ビームの周囲に、電磁波が発生する。そのように発生した電磁波は、細い矢印で表示されたように、第１導波路１３０内をジグザグ状に進むことになる。すなわち、電磁波の進行方向と、電子ビームの進行方向とが反対である。その点で、電磁波発振器１００は、一種の後進波発振器である。第１導波路１３０に沿って進む電磁波は、結合共振器１３８で共振を行い、また、第１導波路１３０を貫通して進む電子ビームとの相互作用によって、電子ビームからエネルギーを得ることになる。特に、第１導波路１３０が折り畳み構造を有するため、電磁波は、ジグザグ上に進みつつ、進行速度が遅くなる。その結果電磁波は、電子ビームとさらに効率的に相互作用を行うことができる。そのような方式で、増幅及び発振された電磁波は、第２導波路１３４を介して、電磁波出力ポート１３５に出力される。
また、図４Ａの斜視図に図示されているように、電磁波発振器１００は、電子ビームトンネル１３１以外にも、第１導波路１３０を軸方向に貫通して形成された追加的な補助トンネル１３９をさらに含んでもよい。例えば、補助トンネル１３９は、第１導波路１３０の底部分で、隔壁１３７の下部を貫通して形成されてもよい。従って、前記補助トンネル１３９は、電子ビームトンネル１３１と平行に配置されてもよい。一実施形態で、電子ビームは、電子ビームトンネル１３１にのみ提供されるが、補助トンネル１３９にも、電子ビームが提供されることも可能である。係る補助トンネル１３９の機能及び効果については、以後さらに詳細に説明する。
図４Ａでは、折り畳み構造の第１導波路１３０が、多数の結合共振器１３８を有すると図示されているが、結合共振器を有さない一般的な折り畳み構造の導波路を使うことも可能である。図４Ｂは、他の例による第１導波路１３０の構造を概略的に示す、下部構造体１１０のＡで表示された一部分に係る部分拡大図である。図４Ｂを参照すれば、第１導波路１３０は、多数回反復した折り畳み構造を有するが、それぞれの折り畳み構造の部分に、結合共振器は、形成されていない。従って、隔壁１３７は、一定厚を有することができる。また、図４Ｂに図示されているように、第１導波路１３０の折り畳み構造部分が丸く形成される。
図５Ａは、前述の補助トンネル１３９を示すために、図４Ａに図示された下部構造体１１０のＢ−Ｂ’断面を示す概略的な断面図である。
図５Ａを参照すれば、下部構造体１１０は、第１基板１１１と第２基板１１２を含む２枚の基板からなる。図５Ａに図示されているように、第１基板１１１の上部表面には、３個の非貫通孔が形成されている。また、第２基板１１２の上部表面には、中心部に１つの非貫通孔が形成されており、前記非貫通孔の両側に、それぞれ貫通孔が一つずつ形成されている。第２基板１１２の２つの貫通孔は、第１基板１１１の両側端に形成された２つの非貫通孔と対応する位置に形成されてもよい。ここで、第１基板１１１と第２基板１１２は、例えば、シリコンで形成されてもよく、その場合、第１基板１１１の上部表面、非貫通孔の内壁及び底面には、金属薄膜層１１３が被覆されてもよい。また、第２基板１１２の上部表面及び下部表面、非貫通孔の内壁及び底面、並びに貫通孔の内壁にも、金属薄膜層１１３が被覆されてもよい。しかし、第１基板１１１と第２基板１１２は、伝導性を有する金属、または伝導性を有する他の材料によって形成されもし、その場合、金属薄膜１１３は、被覆されないこともある。
下部構造体１１０は、前述の構造を有する第１基板１１１の上部表面と、第２基板１１２の下部表面とを互いに接合して形成される。２枚の基板１１１，１１２は、大きい制約なしに、多様な方法で接合されてもよい。例えば、シリコンダイレクト接合（Ｓｉ direct bonding）、酸化膜接合、共融接合（eutectic bonding）または熱圧縮（thermo-compressive bonding）による接合などがいずれも可能である。接合時、第１基板１１１と第２基板１１２とを正確に位置合わせするために、第１基板１１１の下部表面及び第２基板１１２の下部表面には、位置合わせパターン１１４があらかじめ形成されてもよい。そのような方式で、第１基板１１１と第２基板１１２とを接合して形成された下部構造体１１０は、上部表面の中心部に形成された深みが相対的に浅い１つの第１非貫通孔１４０と、その両側に形成された深みが相対的に深い２つの第２非貫通孔１４１とを有することになる。下部構造体１１０に、上部構造体１２０が接合されれば、前記第１非貫通孔１４０は、電子ビームトンネル１３１になり、第２非貫通孔１４１は、結合共振器１３８になる。そして、下部構造体１１０は、第１基板１１１と第２基板１１２との間に形成された１本の補助トンネル１３９を有することになる。
図５Ｂは、図５Ａに図示された下部構造体１１０、及びそれと同一構造を有する上部構造体１２０が結合された電磁波発振器１００のＢ−Ｂ’断面を示す概略的な断面図である。図５Ｂを参照すれば、下部構造体１１０と同様に、上部構造体１２０も、２枚の基板１２２，１２１からなる。上部構造体１２０の第３基板１２１は、下部構造体１１０の第１基板１１１と同一構造を有する。ただし、第３基板１２１と第１基板１１１とは鏡面対称の関係である。また、上部構造体１２０の第４基板１２２は、下部構造体１１０の第２基板１１２と同一構造を有する。ただし第４基板１２２と第２基板１１２とは鏡面対称の関係である。
図５Ｂに図示されているように、前記上部構造体１２０の第４基板１２２と、下部構造体１１０の第２基板１１２とを接合することにより、電磁波発振器１００が形成される。電磁波発振器１００は、下部構造体１１０と上部構造体１２０との第１非貫通孔１４０が接合して形成された電子ビームトンネル１３１、及び下部構造体１１０と上部構造体１２０との第２非貫通孔１４１が接合して形成された結合共振器１３８を含んでもよい。図５Ｂには、電子ビームトンネル１３１の断面、及び結合共振器１３８の断面（すなわち、第１導波路１３０の断面）が四角形に図示されているが、本実施形態は、必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、電子ビームトンネル１３１及び結合共振器１３８の断面は、円形や楕円形でもあり、四角形以外の多角形状に形成される。
図５Ｂは、隔壁１３７のエッジに沿ったＢ−Ｂ’断面を示しているから、電子ビームトンネル１３１の両側に、結合共振器１３８が配置されていると図示されているが、断面位置により、結合共振器１３８の位置と数とが変わることもある。例えば、図４Ａを参照すれば、電子ビーム入力ポート１３２と最も近い最初の隔壁１３７の中心部に沿った断面の場合、結合共振器１３８は、電子ビームトンネル１３１の右側にだけ配置されているように図示される。そして、電子ビーム入力ポート１３２と２番目に近い隔壁１３７の中心部に沿った断面の場合、結合共振器１３８は、電子ビームトンネル１３１の左側にだけ配置されているように図示される。
同様に図５Ａで、第１基板１１１の上部表面には、断面の位置によって、中心部に１つの非貫通孔が形成されており、前記中心部に形成された非貫通孔の左側又は右側に追加的な非貫通孔が形成されているように図示される。また、第２基板１１２の上部表面にも、断面の位置によって、中心部に１つの非貫通孔が形成されており、前記非貫通孔の左側又は右側に貫通孔が形成されているように図示される。結果として、下部構造体１１０の上部表面には、断面の位置によって、中心部に形成された深みが相対的に浅い１つの第１非貫通孔１４０と、前記第１非貫通孔１４０の左側又は右側に、前記第１非貫通孔１４０より深い第２非貫通孔１４１が形成されているように図示される。
図４Ａで説明したように、結合共振器１３８は、折り畳み構造を有する第１導波路１３０の一部分である。また、電磁波発振器１００は、電子ビームトンネル１３１の上部及び下部にそれぞれ形成された追加的な補助トンネル１３９をさらに含む。補助トンネル１３９は、第１基板１１１と第２基板１１２との間、及び第３基板１２１と第４基板１２２との間にそれぞれ形成されている。補助トンネル１３９を介しても、電子ビームが進むことができるが、補助トンネル１３９には、電子ビームが提供されず、電子ビームトンネル１３１にだけ電子ビームが提供される。補助トンネル１３９は、電子ビームトンネル１３１と平行に軸方向に形成される。図５Ｂには、補助トンネル１３９と電子ビームトンネル１３１との幅が同一であると図示されているが、それは、一例に過ぎず、設計によっては、補助トンネル１３９と電子ビームトンネル１３１との幅が互いに変わる。また、図５Ｂには、補助トンネル１３９の断面が四角形に図示されているが、本実施形態は必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、補助トンネル１３９の断面は、円形や楕円形でもあり、四角形以外の多角形状に形成される。
係る補助トンネル１３９は、第１導波路１３０内で、特に、結合共振器１３８内での電磁波の共振特性を向上させることができる。例えば、補助トンネル１３９によって、第１導波路１３０に沿って進む電磁波が、電子ビームが通過する電子ビームトンネル１３１近辺に効果的に集束されることにより、電子ビームと電磁波との相互作用が効率的に起こる。その結果、電磁波発振器１００から出力される電磁波の強度が強化されるだけではなく、電磁波の帯域幅も広くなる。
図６ないし図１０は、係る追加的な補助トンネル１３９による効果を例示的に示すグラフである。
まず、図６は、１本の電子ビームトンネル１３１のみを有する電磁波発振器の共振特性を示すグラフであり、図７は、１本の電子ビームトンネル１３１と２本の補助トンネル１３９とを有する電磁波発振器１００の共振特性を示すグラフである。図６及び図７のグラフは、電磁波発振器の電磁波出力ポート１３５を介して、多様な周波数の電磁波を入力した後、第１導波路１３０内で共振しつつ反射して戻ってきた電磁波の戻り損失（return loss）特性を示すものである。図６及び図７のグラフを比較すれば、１本の電子ビームトンネル１３１のみを有する電磁波発振器に比べ、１本の電子ビームトンネル１３１と２本の補助トンネル１３９とを有する電磁波発振器１００の場合、共振帯域幅がさらに増加するだけではなく、第１導波路１３０内で、さらに強い共振が起こるということが分かる。また、１本の電子ビームトンネル１３１と２本の補助トンネル１３９とを有する電磁波発振器１００の場合、１本の電子ビームトンネル１３１のみを有する場合に比べて、共振周波数帯域内で、比較的均一な共振が起きるということが分かる。
また、図８は、第１導波路１３０がその内部にトンネルを有していない理想的な共振器である場合と、第１導波路１３０内に１本の電子ビームトンネル１３１と２本の補助トンネル１３９とがある場合との共振特性を比較して示すグラフであり、図９は、出力電磁波の位相特性を比較して示すグラフである。図８及び図９を参照すれば、１本の電子ビームトンネル１３１と２本の補助トンネル１３９とを有する電磁波発振器１００の共振特性が、理想的な共振器の共振特性に非常に近く示されるということが分かる。
最後に、図１０は、１本の電子ビームトンネル１３１のみを有する電磁波発振器の出力電磁波の強度と、１本の電子ビームトンネル１３１と２本の補助トンネル１３９とを有する電磁波発振器１００の出力電磁波の強度とを比較して示すグラフである。図１０を参照すれば、電子ビームトンネル１３１を進む電子ビームの電圧によって、出力電磁波の強度が変わるということが分かる。特に、１本の電子ビームトンネル１３１と２本の補助トンネル１３９とを有する電磁波発振器１００の出力電磁波の強度（「○」で表示）が、１本の電子ビームトンネル１３１のみを有する電磁波発振器の出力電磁波の強度（「△」で表示）よりはるかに大きいということが分かる。例えば、電子ビームの電圧が約１３．０ＫＶであるとき、１本の電子ビームトンネル１３１のみを有する電磁波発振器の出力電磁波の強度は、約６Ｗほどである一方、１本の電子ビームトンネル１３１と２本の補助トンネル１３９とを有する電磁波発振器１００の出力電磁波の強度は、約９Ｗになる。
図５Ｂには、電子ビームトンネル１３１の上下側に、補助トンネル１３９がそれぞれ１本ずつ配置される例が図示されているが、補助トンネル１３９の本数と位置は、設計によって多様に変形されてもよい。図１１Ａないし図１１Ｇは、電子ビームトンネル１３１の周囲に形成される補助トンネル１３９の多様な配置例を例示的に示す概略的な断面図である。図１１Ａないし図１１Ｇでは、便宜上、金属薄膜層１１３と位置合わせパターン１１４とを省略した。また、図１１Ａないし図１１Ｇでも、便宜上、電子ビームトンネル１３１の両側に、結合共振器１３８が図示されているが、前述のように、断面の位置により、結合共振器１３８は、電子ビームトンネル１３１の左側又は右側にのみ示すこともできる。以下では、図１１Ａないし図１１Ｇが、図４ＡのＢ−Ｂ’断面を示すものとして説明する。
まず、図１１Ａに図示されているように、補助トンネル１３９は、電子ビームトンネル１３１の左右側に、それぞれ１本ずつ配置されてもよい。例えば、補助トンネル１３９は、電子ビームトンネル１３１と結合共振器１３８との間に配置されてもよい。図１１Ａには、補助トンネル１３９の高さが、電子ビームトンネル１３１の高さと同じように図示されているが、補助トンネル１３９の高さは、電子ビームトンネル１３１の高さと異なることもある。また、図１１Ｂに図示されているように、電磁波発振器１００は、電子ビームトンネル１３１の上下部と左右側に、それぞれ一つずつ、全４本の補助トンネル１３９を含んでもよい。しかし、補助トンネル１３９が、電子ビームトンネル１３１に対して、必ずしも対称に配置されなければならないものではない。例えば、電子ビームトンネル１３１の上部側及び下部側のうちいずれか一つ、または左側若しくは右側にのみ補助トンネル１３９が配置される。もし電子ビームトンネル１３１の上部側及び下部側のうちいずれか一つにのみ補助トンネル１３９が配置される場合、補助トンネル１３１は、下部構造体１１０及び上部構造体１２０のうちいずれか一つにだけ形成されてもよい。さらに具体的には、補助トンネル１３１は、第１基板１１１及び第３基板１２１のうちいずれか一つにだけ形成される。
また、図１１Ｃを参照すれば、補助トンネル１３９は、電子ビームトンネル１３１の上下側にそれぞれ２本ずつ、全４本が配置される。その場合、電磁波発振器１００の下部構造体１１０及び上部構造体１２０は、それぞれ３枚の基板からなる。例えば、下部構造体１１０は、第１基板１１１と第２基板１１２との間に、追加して第５基板１１５をさらに含んでもよい。第５基板１１５の上部表面には、中心部に１つの非貫通孔が形成されており、前記非貫通孔の両側に、それぞれ貫通孔が一つずつ形成されている。第５基板１１５の２つの貫通孔は、第１基板１１１の両側端に形成された２つの非貫通孔と対応する位置に形成されてもよい。上部構造体１２０は、第３基板１２１と第４基板１２２との間に、追加して第６基板１２５をさらに含んでもよい。第６基板１２５は、第５基板１１５と同一構造を有する。ただし、第６基板１２５と第５基板１１５とは鏡面対称の関係である。係る構造の下部構造体１１０と上部構造体１２０とが接合されれば、前述のように、電子ビームトンネル１３１と結合共振器１３８とがそれぞれ形成される。そして、補助トンネル１３９は、第１基板１１１と第５基板１１５との間、第５基板１１５と第２基板１１２との間、第３基板１２１と第６基板１２５との間、及び第６基板１２５と第４基板１２２との間にそれぞれ形成される。
図１１Ｄを参照すれば、補助トンネル１３９は、電子ビームトンネル１３１の左右側にそれぞれ２本ずつ、全４本が配置される。その場合には、電磁波発振器１００の下部構造体１１０及び上部構造体１２０がそれぞれ２枚の基板からなる。また、図１１Ｅに図示されているように、電磁波発振器１００は、電子ビームトンネル１３１の上下部及び左右側に、それぞれ２本ずつ、全８本の補助トンネル１３９を含んでもよい。その場合、図１１Ｄに図示されているように、下部構造体１１０及び上部構造体１２０は、それぞれ３枚の基板からなる。
図１１Ｆは、電子ビームトンネル１３１の上部側及び下部側に、補助トンネル１３９がそれぞれ２本ずつ形成された場合であり、上部側の２本の補助トンネル１３９が、同一高さで互いに隣接して形成されており、下部側の２本の補助トンネル１３９が、同一高さで互いに隣接して形成された場合である。図１１Ｆの場合、第１基板１１１及び第３基板１２１の表面をエッチングし、補助トンネル１３９を形成することができる。また、図１１Ｇに図示されているように、第２基板１１２と第４基板１２２との底面（すなわち、非貫通孔が形成された表面の反対側表面）をエッチングし、補助トンネル１３９を形成することもできる。図１１Ｇの場合、前記電磁波発振器１００は、電子ビームトンネル１３１の左側と右側で、互いに異なる高さに形成された補助トンネル１３９を含むものと図示されている。図１１Ａないし図１１Ｆに図示されているように、補助トンネル１３９は、電子ビームトンネル１３１を中心に多様な位置に形成され、補助トンネル１３９の位置及び本数により、電磁波発振器１００の下部構造体１１０及び上部構造体１２０は、２枚、３枚またはそれ以上の基板からなる。
以上、本発明の理解を助けるために、重トンネルを有する電磁波発振器、及び前記電磁波発振器を含む電磁波発生装置に係わる例示的な実施形態について説明し、添付された図面に図示した。しかし、係る実施形態は、ただ本発明を例示するためのものであり、それを制限するものではないという点が理解されなければならないのである。本発明は、図示されて説明された説明に限定されるものではないという点が理解されなければならないのである。それは、多様な他の変形が本技術分野で当業者に可能であるためである。
本発明の多重トンネルを有する電磁波発振器及び該電磁波発振器を含む電磁波発生装置は、例えば、イメージ関連の技術分野に効果的に適用可能である。
１００ 電磁波発振器
１１０ 下部構造体
１１１ 第１基板
１１２ 第２基板
１１３ 金属薄膜層
１１４ 位置合わせパターン
１１５ 第５基板
１２０ 上部構造体
１２１ 第３基板
１２２ 第４基板
１２５ 第６基板
１３０ 第１導波路
１３１ 電子ビームトンネル
１３２ 電子ビーム入力ポート
１３３ 電子ビーム放出ポート
１３４ 第２導波路
１３５ 電磁波出力ポート
１３７ 隔壁
１３８ 結合共振器
１３９ 補助トンネル
１４０ 第１非貫通孔
１４１ 第２非貫通孔
２００ 電磁波発生装置
２１０ 電子銃
２２０ コレクタ

Claims (27)

  1. 電磁波が通過する際の経路が軸方向と複数回交差するような折り畳み構造を有する第１導波路；
    前記軸方向に沿って延びて、かつ、前記第１導波路と複数回交差する、電子ビームが通過する電子ビームトンネル；及び、
    前記電子ビームトンネルと平行に延びて、かつ、前記第１導波路と複数回交差する、少なくとも１本の補助トンネル；を有し、
    前記電子ビームトンネルと前記補助トンネルは、前記第１導波路を軸方向に貫通して配される電磁波発振器。
  2. 前記少なくとも１本の補助トンネルは、前記電子ビームトンネルの上部側または下部側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発振器。
  3. 前記少なくとも１本の補助トンネルは、前記電子ビームトンネルの左側または右側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発振器。
  4. 前記少なくとも１本の補助トンネルは少なくとも２本の補助トンネルを有し、
    前記少なくとも２本の補助トンネルのうちの一は、前記電子ビームトンネルの上部側または下部側に配置され、
    前記少なくとも２本の補助トンネルのうちの他は、前記電子ビームトンネルの左側または右側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発振器。
  5. 前記少なくとも２本の補助トンネルが、前記電子ビームトンネルの上部側または下部側で、互いに同一の高さに隣接して配置されていることを特徴とする請求項４に記載の電磁波発振器。
  6. 前記少なくとも２本の補助トンネルが、前記電子ビームトンネルの左側または右側で、互いに異なる高さで隣接して配置されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の電磁波発振器。
  7. 前記第１導波路の折り畳み構造は、前記電子ビームトンネルの両側に、それぞれ配置される複数の結合共振器を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発振器。
  8. 前記少なくとも１本の補助トンネルは、前記電子ビームトンネルの左側と前記結合共振器との間、または前記電子ビームトンネルの右側と前記結合共振器との間に配置されることを特徴とする請求項７に記載の電磁波発振器。
  9. 前記少なくとも１本の補助トンネルは少なくとも２本の補助トンネルを有し、
    前記少なくとも２本の補助トンネルのうちの一は、前記電子ビームトンネルの上部側または下部側に配置され、
    前記少なくとも２本の補助トンネルのうちの他は、前記電子ビームトンネルの左側と前記結合共振器との間、または前記電子ビームトンネルの右側と前記結合共振器との間に配置されることを特徴とする請求項７又は８に記載の電磁波発振器。
  10. 前記少なくとも２本の補助トンネルが、前記電子ビームトンネルの左側と前記結合共振器との間、または前記電子ビームトンネルの右側と前記結合共振器との間で、互いに異なる高さで隣接して配置されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の電磁波発振器。
  11. 前記第１導波路と連結された第１端部と、電磁波出力ポートである第２端部とを有する第２導波路と、
    前記電子ビームトンネルの第１端部と連結して、電子ビームが入射する電子ビーム入力ポートと、
    前記電子ビームトンネルの第２端部と連結して、電子ビームを放出する電子ビーム放出ポートと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁波発振器。
  12. 前記第２導波路は、第１端部で９０°曲折した構造を有し、第２端部に近づくほど幅が広くなるテーパ構造を有することを特徴とする請求項１１に記載の電磁波発振器。
  13. 第１表面を有する下部構造体と、
    前記下部構造体の第１表面と接合する第２表面を有する上部構造体と、をさらに含み、
    前記第１導波路と前記電子ビームトンネルは、前記下部構造体の第１表面と、前記上部構造体の第２表面とにわたって形成されており、
    前記補助トンネルは、前記下部構造体及び上部構造体のうち少なくとも一つの内部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波発振器。
  14. 前記下部構造体は、
    １つの第１非貫通孔、及び前記第１非貫通孔の左側又は右側に第２非貫通孔が形成されている第１基板と、
    １つの第３非貫通孔、及び前記第３非貫通孔の左側又は右側に第１貫通孔が形成されている第２基板と、を含み、
    前記第２基板の第１貫通孔は、前記第１基板の第２非貫通孔と対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の電磁波発振器。
  15. 前記上部構造体は、
    １つの第１非貫通孔、及び前記第１非貫通孔の左側又は右側に第２非貫通孔が形成されている第３基板と、
    １つの第３非貫通孔、及び前記第３非貫通孔の左側又は右側に第１貫通孔が形成されている第４基板と、を含み、
    前記第４基板の第１貫通孔は、前記第３基板の第２非貫通孔と対応する位置に形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の電磁波発振器。
  16. 前記第２基板と第４基板は、互いに接合されており、前記第２基板の第３非貫通孔と、第４基板の第３非貫通孔とによって、前記電子ビームトンネルが形成されることを特徴とする請求項１５に記載の電磁波発振器。
  17. 前記第１基板の第２非貫通孔、前記第２基板の第１貫通孔、前記第４基板の第１貫通孔、及び前記第３基板の第２非貫通孔によって、前記第１導波路が形成されることを特徴とする請求項１５に記載の電磁波発振器。
  18. 前記第１基板の第１非貫通孔、及び前記第３基板の第１非貫通孔によって、前記補助トンネルがそれぞれ形成されることを特徴とする請求項１５に記載の電磁波発振器。
  19. 前記下部構造体は、前記第１基板と第２基板との間に介在されるものであり、１つの第４非貫通孔、及び前記第４非貫通孔の左側又は右側に第２貫通孔が形成されている第５基板をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の電磁波発振器。
  20. 前記上部構造体は、前記第３基板と第４基板との間に介在されるものであり、１つの第４非貫通孔、及び前記第４非貫通孔の左側又は右側に第２貫通孔が形成されている第６基板をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の電磁波発振器。
  21. 前記第５基板の第４非貫通孔と、前記第６基板の第４非貫通孔とによって、前記補助トンネルがそれぞれ形成されることを特徴とする請求項２０に記載の電磁波発振器。
  22. 前記第１基板ないし第６基板の表面に被覆されている金属薄膜層をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の電磁波発振器。
  23. 請求項１ないし２２のうちいずれか一項に記載の電磁波発振器と、
    前記電磁波発振器に電子ビームを提供する電子銃と、
    前記電磁波発振器から放出された電子ビームを収集するコレクタと、を含む電磁波発生装置。
  24. 前記電磁波発振器は、前記第１導波路内部を進むミリ波、サブミリ波、またはテラヘルツ周波数帯域の電磁波が、前記電子ビームトンネルを進む電子ビームとの相互作用を介して、エネルギーを得るように構成されることを特徴とする請求項２３に記載の電磁波発生装置。
  25. 第１端部から第２端部へ至る軸方向と複数回交差するように、前記第１端部から前記第２端部まで波状に延びる導波路；
    前記導波路と複数回交差するように前記軸方向に対して平行に延びて、電子ビームを案内する電子ビームトンネル；及び、
    前記導波路と複数回交差するように前記軸方向に対して平行に延びる補助トンネル；を有し、
    前記電子ビームトンネルと前記補助トンネルは、前記導波路を軸方向に貫通して配される電磁波発振器。
  26. 前記補助トンネルに電子ビームが追加して提供されることを特徴とする請求項１ないし２２のうち何れか一項に記載の電磁波発振器。
  27. 前記補助トンネルに電子ビームが追加して提供されることを特徴とする請求項２５に記載の電磁波発振器。
JP2013022446A 2012-02-07 2013-02-07 多重トンネルを有する電磁波発振器及び該電磁波発振器を含む電磁波発生装置 Active JP6340163B2 (ja)

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