JP6361908B2 - 電磁波検出器及び電磁波検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波検出のための電磁波検出器に関し、特に、周波数１０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ、波長３０ｍｍ〜１０μｍの周波数領域の電磁波を検出するための電磁波検出器及び電磁波検出方法に関する。

図９に従来の電磁波検出器の構成例を斜視図で示す。図９に示す公知の光スイッチ素子を含む電磁波検出器４は、ＧａＡｓ等で形成された基板４１と、この基板４１の一方の面に形成された低温成長ＧａＡｓ等の光伝導膜４１ａと、この光伝導膜４１ａ上に所定形状でパターニングされた２つの金属膜等の導電膜４２，４２とを有している。２つの導電膜４２，４２には凸部４２ａ，４２ａが形成され、二つの凸部の間には電磁波が通過する間隙４２ｂが設けられている。そして、このようにパターニングされた２つの金属膜等の導電膜４２，４２により、ダイポールアンテナやボウタイアンテナなどが形成される。また、基板４１の他方の面には、前記ダイポールアンテナやボウタイアンテナに電磁波を集光するためのシリコンレンズ４３が配置されている（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００２−２２３０１７号公報（段落０００４〜０００６の記載参照） 特開２００４―２０７２８８号公報（段落０００３〜０００６の記載参照）

２０１３年第６０回応用物理学会春期学術講演会予稿集 OPTICS EXPRESS Vol.20,No.8 8355（9 April2012）

しかし、特にＴＨｚ光を検出する電磁波検出器に使用されるシリコンレンズは価格が高く、電磁波検出器のコスト高になるという問題がある。
また、シリコンレンズのような光学レンズによる集光効果には限界があり、例えばシリコンレンズでは波長の半分程度が限界であると言われている。そのため、検出効果をさらに向上させるために、アンテナの感度を高めたり、レーザー発振器の種類を代えたり出力を高めたりするなどの工夫がなされているが、装置が大型化したりコスト高になったりするなどの問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたものである。

上記課題を解決するために本発明の発明者は、シリコンレンズに着目した。そして、このシリコンレンズを同様の作用を奏する他の導波部材に置換できないかを検討した。
シリコンレンズを他の導波部材に置き換える場合、どのようにして電磁波を効率良く基板（図９の符号４１参照）の反対側に位置するアンテナ（同符号４２ｂ参照）に集光させるか及び基板からの反射をいかにして抑制するかが大きな課題となる。
ところで、テラヘルツ光等の電磁波の増強には、金属との表面プラズモン共鳴を利用したものが知られており、内面が金属で形成されたＶ溝に電磁波を導入し、その頂部に集光させることで電磁波を増強できることが知られている（例えば非特許文献１，２参照）。

本願発明の発明者はこのような金属Ｖ溝を導波部材として利用できないかを検討した。Ｖ溝の頂部に形成する電磁波の出口の幅を小さくすることで、基板からの反射を最小に抑制できると予測した。その一方で、Ｖ溝を形成した金属ブロックとアンテナとの間には０．４〜０．７ｍｍ程度の肉厚を有する基板（図９の符号４１参照）が介在していることから、V溝の前記出口から射出された電磁波が拡散してしまい、シリコンレンズの代用にはならないと考えられた。

しかし、本願発明の発明者が鋭意実験を行ったところ、Ｖ溝を有する金属等のブロック
を基板に密着させ、前記Ｖ溝に電磁波を導入することで、シリコンレンズよりも高い電磁
波の集光効果を確認することができた。出口の幅は電磁波の波長よりも小さくすればよい
こともわかった。
具体的に本願発明の電磁波検出器は、導波部材に電磁波を入射し、この導波部材によって基板に設けられた電磁波検出部に電磁波を集光させて電磁波の検出を行う電磁波検出器において、前記導波部材が、本体と、この本体に形成され少なくとも表面が電磁波を伝搬して前記電磁波との間で表面プラズモン結合を生じさせる金属で形成されたＶ溝と、このＶ溝の頂部に形成され前記電磁波の波長以下の幅寸法を有する出口とを備え、前記本体は、前記出口で前記金属を前記基板に接触させた状態で前記基板い密接させて設けられ、前記出口から出射される電磁波の電場の振動方向を前記電磁波検出部によって検出できる電磁波の電場の振動方向に一致させた構成としてある。前記Ｖ溝による集光率は、前記Ｖ溝の頂部の角度、前記Ｖ溝に入射される電磁波の集光位置、焦点距離及び前記出口の幅の組み合わせにより調整することが可能である。

本願発明の電磁波検出方法は、電磁波発生手段から照射された電磁波を基板に設けられた電磁波検出部に集光させて検出を行う電磁波検出方法において、表面が電磁波を伝搬して前記電磁波との間で表面プラズモン結合を生じさせる金属で形成されたＶ溝と、このＶ溝の頂部に形成され前記電磁波の波長以下の幅寸法を有する出口とを有する導波部材を準備し、前記導波部材の前記出口で前記金属を前記基板に密接させ、前記電磁波発生手段から照射された電磁波を前記Ｖ溝に入射させ、前記出口から出射される電磁波の電場の振動方向を前記電磁波検出部によって検出できる電磁波の電場の振動方向に一致させた方法としてある。
前記Ｖ溝による集光率は、前記Ｖ溝の頂部の角度、前記Ｖ溝に入射される電磁波の集光
位置、焦点距離及び前記出口の幅の組み合わせにより調整が可能である。

本発明においては、導波部材は安価かつ簡単に製造することが可能であるため、電磁波検出器のコストを低減することができる。また、前記Ｖ溝の頂部の角度、前記Ｖ溝に入射される電磁波の集光位置、焦点距離及び前記出口の幅の組み合わせにより、集光効果をシリコンレンズ等の光学レンズよりも数倍に高めることができる。

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に、本発明の電磁波検出器及び電磁波検出方法に用いられる導波部材の一実施形態を概略平面図で示す。
この実施形態において電磁波を集光させて基板に導入する導波部材は、図１に示すように、ブロック状の本体１とこの本体１に形成されたＶ形の溝（以下、「Ｖ溝」と記載する）２とを有する。

電磁波であるテラヘルツ光（以下「THz光」と記載する）をＶ溝２の内表面の金属の表面プラズモンと結合させ、V溝２の頂部に集光させることでTHz光を増強することができる。この原理は、例えば、OPTICS EXPRESS Vol.20,No.8 8355（9 April2012）に掲載されたK. Iwaszczukらによる”Terahertz field enhancement to the MV/cm regime in a tapered parallel plate waveguide”等で知られている。
表面プラズモン結合を生じさせるものであれば、金属の種類は特に問わないが、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）を好適に用いることができる。アルミニウムや鉄などで形成された金属製の本体１にＶ溝２を形成し、Ｖ溝２の表面に金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）等の金属をメッキ又は蒸着等してもよいし、樹脂やセラミック等の非金属材料の本体１にＶ溝２を形成し、Ｖ溝２の内面に金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）等の金属層を形成してもよい。本体１を金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）等で形成してＶ溝２を形成するようにしてもよい。

Ｖ溝２の頂部に形成されTHz光が射出される出口の幅Ｄは、THz光の波長よりも小さい幅寸法にするのが好ましい。例えば、THz光の波長が３００μｍの場合は、幅Ｄは３００μｍ以下とするのとよい。出口の幅は狭いほど集光効果を高めることができる。なお、Ｖ溝２の頂部側に、前記出口と連通するように出口の幅と同一幅の平行部を形成してもよい。
上記構成の導波部材は、図１に示すように、Ｖ溝２の出口から射出されるＴＨｚ光の電場の振動方向が導電膜４２，４２によって構成されるダイポールアンテナやボウタイアンテナの電場の受信方向と一致するように、本体１のＶ溝２頂部側（出口側）を基板４１に密着させた状態で取り付けられる。

図２は、本体１を用いた集光効果を示すグラフでＴＨｚ光（ビーム集束角が１８．６°）の時間波形で、横軸は時間、縦軸は検出器からの出力信号である。図２（ａ）はθ＝１８°のＶ溝２を有する本体１を用いた場合、（ｂ）は同θ＝３６°のＶ溝２を有する本体１を用いた場合、（ｃ）はシリコンレンズを用いた場合、（ｄ）はシリコンレンズ及び本体１を装着しない場合（非装着：基板４１のみの場合）を示している。その結果、
（ａ） シリコンレンズ: 1249pA(=727.8pA+|-521.1pA|)
（ｂ） Ｖ溝θ＝１８°:1034pA(=497.6pA+|-536.3pA|)
（ｃ） Ｖ溝θ＝３６°：147.0pA(=74.40pA+|-72.60pA|)
（ｄ） 非装着: 91.4pA(=44.1pA+|-47.3pA|)
という結果を得た。
このグラフから、Ｖ溝２によってシリコンレンズとほぼ同等の集光効果が得られることがわかる。また、Ｖ溝２の角度θが集光効果に影響を与えることがわかる。

図３は、上記構成の導波部材に軸外し放物面反射鏡である楕円ミラー３６を使ってＴＨｚ光を入射させるときの概略説明図である。
なお、図３の導波部材には、本体１のＶ溝２の頂部側に、出口の幅Ｄと同一幅の平行部２１を設けている。この平行部２１は、切削加工や研磨加工等によって、精密かつ微細な幅寸法の出口を有する導波部材（本体１）を金属ブロックから削成する際などに必要とされるものである。図３の装置の例では、平行部２１の長さは５ｍｍとしてある。
楕円ミラー３６は本体１に対して軸線方向（電磁波の進行方向Ｃ、図９参照）に進退移動自在で、楕円ミラー３６の中心からＶ溝２の頂部までの距離Ｌを軸線方向に調整できるようになっている。
図３の実験装置を使って行った実験結果を以下に示す。

［実施例１］
I＝ 130mA, T=25.0℃, R3(eff) = 5.00%, L1=20cm, L2=30cm（図８参照）, Roundtrip Frequency = 300MHz、バイアス電圧:正弦波 Vp-p = 100V(40kHz),レーザー光の周波数（42.2GHzの整数倍）、 出口の幅Ｄ: 72μm, 楕円ミラーの焦点距離＝１５cm、ＴＨｚ光のビーム集束角＝１８．６°、Ｖ溝２の頂部の角度θ＝１８°、基板の肉厚：０．４ｍｍの条件で、楕円ミラー３６を本体１に対して進退移動させて集光位置Ｆを＋５ｍｍ〜−９５ｍｍまで変化させ、集光位置ごとにＴＨｚ時間波形を計測した。なお、集光位置Ｆは、Ｖ溝２の頂部を基点（０）として、楕円ミラー３６に向かう方向を「＋」、楕円ミラー３６から遠ざかる方向を「−」とした。その結果を図４，図５及び以下の表に示す。
図４は、集光位置Ｆを＋５ｍｍ〜−９５ｍｍまで変化させたときのＴＨｚ光の時間波形、図５は、集光位置Ｆとアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較グラフ、以下の表１は集光位置Ｆとアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較表である。

図４、図５及び表１からわかるように、この例では、−９５ｍｍを越えたところで楕円ミラー３６が本体１に干渉したためこれ以上の計測が不能となったが、集光位置Ｆが基点から−９１ｍｍ〜−９５ｍｍに位置するときがもっとも集光効率が高く、同じ条件でシリコンレンズを用いた場合よりも約２．２倍〜２．７倍高くなった。

［実施例２］
次に、実施例１と同じ条件で、焦点距離が１０ｃｍの楕円ミラー３６を用いて同様の実験を行った。本体１に対して楕円ミラー３６を軸線方向に進退移動させて集光位置Ｆを＋５ｍｍ〜−４５ｍｍまで変化させ、ＴＨｚ時間波形を計測した。
図６は、集光位置Ｆを＋５ｍｍ〜−４５ｍｍまで変化させたときのＴＨｚ光の時間波形、図７は、集光位置Ｆとアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較グラフ、以下の表２は集光位置Ｆとアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較表である。

図６、図７及び表２からわかるように、この例では、集光位置Ｆが基点から−３０ｍｍ前後に位置するときがもっとも集光効率が高く、同じ条件でシリコンレンズを用いた場合よりも約２．５倍高くなった。
上記の実施例１，２から、本発明の電磁波検出器において導波部材は、Ｖ溝２の頂部の角度θ及び集光位置Ｆとによって集光効率が大きく変化するが、実験等によって最適の角度θ及び集光位置Ｆを選択すれば、シリコンレンズの少なくとも２倍以上の集光効率を得られることがわかる。

図８は、本発明の電磁波検出器の構成例を示すブロック図である。
図８の電磁波検出器では、全長Ｈ（図１参照）＝３５ｍｍのアルミ製の本体１を有する導波部材を用いた。また、THz光発生用励起光源としてフェムト秒レーザー装置を用いた。
レーザー装置３から照射されたレーザー光は、ビームスプリッター３１によって直進方向と９０度に屈曲する方向に分割され、直進方向のポンプ光はミラー３２ａ，ビームスプリッター３２ｂ，ミラー３２ｃ，レンズ３３を経てダイポール型光伝導アンテナ３４に入射されTHz光として出力される。このTHz光は、対向配置された一対の楕円ミラー３５，３６を経て本体１のＶ溝２へ導入されて検出側ダイポール型光伝導アンテナ４に入射される。
一方、ビームスプリッター３２ｂで分割されたレーザー光のうち直進方向のレーザー光は、遅延ステージ３８のミラー３８ａ，３８ｂを経た後、ミラー３８ｃ，３８ｄ及びレンズ３９を経てダイポール型光伝導アンテナ４に入射される。入射されたTHz光はロックインアンプで増幅された後、ＰＣによって検出される。

本発明は、ミリ波帯、マイクロ波帯及びテラヘルツ波帯を含む領域（周波数１０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ：３０ｍｍ〜１０μｍ）の電磁波に好適に適用が可能である。また、本発明は各種センシング装置やイメージング装置などに適用が可能である。

電磁波検出器に用いられる本発明の導波部材の一実施形態を示す概略平面図である。 本体１を用いた増強効果を示すグラフでビーム集束角が１８．６°のＴＨｚ光の時間波形である。 本発明の一実施形態にかかる導波部材を電磁波検出器に組み込んだ状態を示すもので、電磁波検出器の軸外し放物面反射鏡を使ってＴＨｚ光を導波部材に導入する部分の概略構成図である。 本発明の第一実施例にかかり、集光位置を＋５ｍｍ〜−９５ｍｍまで変化させたときのＴＨｚ光の時間波形である。 本発明の第一実施例にかかり、集光位置とアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較グラフである。 本発明の第二実施例にかかり、集光位置を＋５ｍｍ〜−４５ｍｍまで変化させたときのＴＨｚ光の時間波形である。 本発明の第二実施例にかかり、集光位置とアンテナからの出力信号のピーク値との関係を示すシリコンレンズとの比較グラフである 本発明の電磁波検出器の構成例を示すブロック図である。 従来の電磁波検出器の構成例を示す斜視図でる。

１ 本体
２ Ｖ溝
２１ 平行部
３ レーザー装置
４ アンテナ
４１ 基板
４１ａ 光伝導膜
４２ 導電膜
４２ａ 凸部
４２ｂ 間隙
４３ シリコンレンズ
Ｄ 出口の幅寸法
Ｆ 集光位置
Ｌ 楕円ミラーの中心と本体との距離

Claims (4)

1. 導波部材に電磁波を入射し、この導波部材によって基板に設けられた電磁波検出部に電磁波を集光させて電磁波の検出を行う電磁波検出器において、
   前記導波部材が、本体と、この本体に形成され少なくとも表面が電磁波を伝搬して前記電磁波との間で表面プラズモン結合を生じさせる金属で形成されたＶ溝と、このＶ溝の頂部に形成され前記電磁波の波長以下の幅寸法を有する出口とを備え、
   前記本体は、前記出口で前記金属を前記基板に接触させた状態で前記基板に密接させて設けられ、
   前記出口から出射される電磁波の電場の振動方向を前記電磁波検出部によって検出できる電磁波の電場の振動方向に一致させたこと、
   を特徴とする電磁波検出器。
2. 前記Ｖ溝による集光率を、前記Ｖ溝の頂部の角度、前記Ｖ溝に入射される電磁波の集光位置、焦点距離及び前記出口の幅の組み合わせにより調整したことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
3. 電磁波発生手段から照射された電磁波を基板に設けられた電磁波検出部に集光させて検出を行う電磁波検出方法において、
   表面が電磁波を伝搬して前記電磁波との間で表面プラズモン結合を生じさせる金属で形成されたＶ溝と、このＶ溝の頂部に形成され前記電磁波の波長以下の幅寸法を有する出口とを有する導波部材を準備し、
   前記導波部材の前記出口で前記金属を前記基板に密接させ、
   前記電磁波発生手段から照射された電磁波を前記Ｖ溝に入射させ、
   前記出口から出射される電磁波の電場の振動方向を前記電磁波検出部によって検出できる電磁波の電場の振動方向に一致させたこと、
   を特徴とする電磁波検出方法。
4. 前記Ｖ溝による集光率を、前記Ｖ溝の頂部の角度、前記Ｖ溝に入射される電磁波の集光位置、焦点距離及び前記出口の幅の組み合わせにより調整したことを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出方法。

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