JP6478220B2 - テラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波集積回路 - Google Patents

テラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波集積回路 Download PDF

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Description

本発明は、テラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波集積回路に関し、特に、誘電体導波路との結合効率が向上し、また広帯域化可能なテラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波デバイスを搭載可能なテラヘルツ波集積回路に関する。
近年、電波と光波の中間の周波数に位置するテラヘルツ波帯（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）では、超高速無線通信やセンサ・イメージング応用などの研究が活発化しており、その産業化が期待されている。しかし、現状では、テラヘルツ波システムは、大型、立体構造の部品で構成されているため、大型かつ高価である。システム全体を小型化するためには、デバイスを集積化したテラヘルツ波集積回路の実現が不可欠である。
テラヘルツ波集積回路の基盤技術としては、光波領域と電波領域、双方の技術の利用が考えられる。しかし、レンズやミラーなどの光学部品は大型、かつ立体構造であり、集積化には向かない。また、電波領域で使われる中空金属導波管は、微細な立体構造のため、作製が困難となる。さらに、平面金属伝送路は、金属の吸収の影響が大きくなるため、導波損失が大きくなる。
テラヘルツ波集積回路の基盤技術として、光波領域では進展の著しい２次元フォトニック結晶（２Ｄ ＰＣ：Two Dimensional Photonic Crystal）スラブの適用が検討されている（例えば、非特許文献１〜３参照。）。
また、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）とスロットアンテナを組み合わせて作製し、電磁波を基板に水平方向に取り出し可能なテラヘルツ発振素子も開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、同様の構成を有する検出素子も開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
また、同様の構成を有する発振検出素子も開示されている（例えば、特許文献３参照。）。
また、ミリ波周波数帯における２次元電磁的バンドギャップスラブ構造の共鳴および導波路線欠陥モードについても検討されている（例えば、非特許文献４参照。）。
また、超半球状ＭｇＯレンズと集積化された共鳴トンネルダイオード検出器を用いた３Ｇビット／秒エラーフリーテラヘルツ通信も実証されている（例えば、非特許文献５参照。）。
特許第５３６６６６３号公報 特開２０１２−２１６７１４号公報 特開２０１２−２１７１０７号公報
石垣司、冨士田誠之、および永妻忠夫, "テラヘルツ波集積回路に向けたフォトニック結晶スラブの検討", 2012年電子情報通信学会総合大会, 岡山, no. C-14-19, 2012. (2012/3/21) ティ・イシガキ、エム・フジタ、エム・ナガイ、エム・アシダ、およびティー・ナガツマ（T. Ishigaki, M. Fujita, M. Nagai, M. Ashida and T. Nagatsuma）著, "テラヘルツ波集積回路用フォトニック結晶スラブ（Photonic-crystal slab for terahertz-wave integrated circuits）", IEEE Photonics Conference 2012 (IPC2012), Burlingame, no. ThJ3, Sep. 27th, pp. 774-775, 2012. 永妻忠夫、冨士田誠之、向井俊和、鶴田一魁、および大西大，"共鳴トンネルダイオードを用いたテラヘルツ無線技術の現状と展望", NICT 講演会テラヘルツ波の産業応用の可能性(東京)(2013/1/16). エム・シュスター、オー・アントニアク、ピー・ラール、およびエヌ・クライン（M. Schuster, O. Antoniuk, P. Lahl, and N. Klein）著,"ミリ波周波数帯における２次元電磁的バンドギャップスラブ構造の共鳴および導波路線欠陥モード（Resonant and waveguiding defect modes in a two-dimensional electromagnetic band-gap slab structure for millimeter wave frequencies）", J. Appl. Phys. 97, 044912 (2005). アイ・カク、タケシ・シオデ、ツカサ・イシガキ、トシカズ・ムカイ、カズイサオ・ツルダ、マサユキ・フジタ、およびタダオ・ナガツマ（Ai Kaku, Takeshi Shiode, Tsukasa Ishigaki, Toshikazu Mukai, Kazuisao Tsuruda, Masayuki Fujita, and Tadao Nagatsuma）著，"超半球状ＭｇＯレンズと集積化された共鳴トンネルダイオード検出器を用いた３Ｇビット／秒エラーフリーテラヘルツ通信（3-Gbit/s Error-free Terahertz Communication Using Resonant Tunneling Diode Detectors Integrated with MgO Hyper-hemispherical Lens）, Asia-Pacific Microwave Photonics Conference (APMP2013), no. MD-1, 2013.
テラヘルツ波の送受信デバイス（共鳴トンネルダイオード、受信に限ってはショットキーバリアダイオードも含む）は研究が進んできているが、これらダイオードからのテラヘルツ波の取出し、入力効率が依然悪く機能集積化へ向けた課題となっている。
また、非特許文献５に開示されたテラヘルツ通信においては、放射パターンの改善が行われるが、効率が制限されている。また、構成が立体構造であり、平面集積化できない。
特にテラヘルツ帯の集積回路（信号処理回路）を想定した場合、導波路などの受動素子とテラヘルツ発振器や検出器との融合方法は、基本的な開発課題となる。テラヘルツ帯において、誘電体導波路と電子デバイスを融合させる先行研究例はまだ無い。
本発明の目的は、誘電体導波路との結合効率が向上し、また広帯域化可能なテラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波デバイスを搭載可能なテラヘルツ波集積回路を提供することにある。
本発明の一態様によれば、２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、前記２次元フォトニック結晶導波路に形成された溝部において、前記２次元フォトニック結晶導波路の上面と表面が面一に配置されたダイオードデバイスとを備えるテラヘルツ波デバイスが提供される。
本発明の他の態様によれば、２次元フォトニック結晶スラブと、前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、前記２次元フォトニック結晶導波路に形成された溝部において、前記２次元フォトニック結晶導波路の前記２次元フォトニック結晶スラブ表面に垂直方向の断面の中央部と表面が一致して配置されたダイオードデバイスとを備えるテラヘルツ波デバイスが提供される。
本発明の他の態様によれば、上記のテラヘルツ波デバイスを備えるテラヘルツ波集積回路が提供される。
本発明によれば、誘電体導波路との結合効率が向上し、また広帯域化可能なテラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波デバイスを搭載可能なテラヘルツ波集積回路を提供することができる。
テラヘルツ波デバイスとしてテラヘルツ波送信器、テラヘルツ波受信器を搭載した実施の形態に係るテラヘルツ波集積回路の模式的鳥瞰図。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの模式的鳥瞰構成図。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なテーパースロットアンテナを集積化した共鳴トンネルダイオードの模式的鳥瞰構成図。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能な共鳴トンネルダイオードの模式的断面構造図。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、２次元フォトニック結晶スラブとＲＴＤを搭載するＩｎＰ基板との間のテラヘルツ波の結合現象を説明する模式的断面構造図。 ２次元フォトニック結晶スラブ上にＲＴＤを配置した第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの模式的断面構造図。 ２次元フォトニック結晶スラブ上にＲＴＤを配置した第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波デバイスの模式的鳥瞰構成図。 第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波デバイスの融合方法を説明する模式的断面構造図。 ２次元フォトニック結晶スラブ上にＲＴＤを配置した第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波デバイスの模式的断面構造図。 ２次元フォトニック結晶スラブ上にＲＴＤを配置した第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、樹脂封止した模式的断面構造図。 ＩｎＰ基板を薄層化した第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波デバイスの模式的断面構造図。 ＩｎＰ基板を薄層化した第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、樹脂封止した模式的断面構造図。 第１の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ波デバイスの模式的断面構造図。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスとコプレーナー実装基板との実装構造例の模式的平面図。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスとコプレーナー実装基板との実装構造例の表面写真。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、フォトニック結晶の有無によるＲＴＤ検波強度の周波数特性の実験結果。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、ギガビット通信の実験結果であって、３Ｇｂｐｓにおけるエラーフリー通信時のアイパターン。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶導波路上に搭載するＲＴＤデバイスの位置ずれ（ｌ1とｌ2との差）がａ／８と小さい例を説明する模式的平面図、（ｂ）２次元フォトニック結晶導波路上に搭載するＲＴＤデバイスの位置ずれ（ｌ1とｌ2との差）がａと大きい例を説明する模式的平面図。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、位置ずれの大小によるＲＴＤ検波強度の周波数特性の実験結果。 第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、ＲＴＤデバイスの基板厚さをパラメータとする結合効率の周波数特性のシミュレーション結果。 第２の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの模式的鳥瞰構成図。 第１の実施の形態および第２の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、ＲＴＤデバイスの設置方法による結合効率の周波数特性の比較（シミュレーション結果）。 第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なＲＴＤデバイスの模式的鳥瞰構成図。 第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの模式的鳥瞰構成図。 第３の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波デバイスの模式的鳥瞰構成図。 第３の実施の形態およびその変形例に係るテラヘルツ波デバイスの結合効率の周波数特性（シミュレーション結果）。 実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、基板内の多重反射を説明する模式的平面図。 実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、基板内の多重反射による透過率の周波数特性のばらつきに関するシミュレーション結果。 （ａ）基板内の多重反射による透過率の周波数特性のばらつきを改善する第４の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの模式的鳥瞰構成図、（ｂ）図２９（ａ）のＲＴＤデバイスと２次元フォトニック結晶の結合部の拡大図。 第４の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、透過率の周波数特性に関するシミュレーション結果。 基板内の多重反射による透過率の周波数特性のばらつきを改善する第５の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの模式的鳥瞰構成図。 第５の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、透過率の周波数特性のシミュレーション結果。 第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの模式的平面パターン構成図。 第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの結合効率の周波数特性（シミュレーション）。 第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、平均結合効率のテーパー長依存性（シミュレーション）。 第７の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの模式的平面パターン構成図。 第７の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波デバイスの模式的平面パターン構成図。 第７の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶導波路の延伸する方向に沿う模式的断面構造例１、（ｂ）図３８（ａ）において、２次元フォトニック結晶導波路の延伸する方向に沿う模式的断面構造例２。 第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、デバイス表面へのテラヘルツ波の取出し動作の説明であって、（ａ）模式的平面パターン構成図、（ｂ）図３９（ａ）において、２次元フォトニック結晶導波路の延伸する方向に沿う模式的断面図。 第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、デバイス表面へのテラヘルツ波の取出し応用（相互作用）の説明であって、（ａ）ダイオード、自由キャリア、センシング検体等を金属スロット線路間に配置した模式的平面パターン構成図、（ｂ）図４０（ａ）において、２次元フォトニック結晶導波路の延伸する方向に沿う模式的断面図。 第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、表面電界強度のシミュレーション結果。 第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、断面電界強度のシミュレーション結果。 第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、伝搬方向の表面電界強度プロファイル。 第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、（ａ）結合長の２倍の長さの金属スロット線路を有する２次元フォトニック結晶導波路の表面電界強度プロファイル、（ｂ）図４４（ａ）において、伝搬方向の断面電界強度プロファイル。 第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、表面金属スロット線路間にダイオードを埋め込んだ場合の結合効率の周波数特性（シミュレーション）。 第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、（ａ）２次元フォトニック結晶導波路から金属スロット線路への結合効率とギャップ間隔との関係（シミュレーション）、（ｂ）２次元フォトニック結晶導波路と金属スロット線路との結合部分近傍の模式的平面パターン構成図。 第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、（ａ）金属スロット線路上にダイオードチップをフリップチップに結合した状態の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図４７（ａ）において、２次元フォトニック結晶導波路の延伸する方向に沿う模式的断面図、（ｃ）図４７（ｂ）において、ＦＣ部分の拡大図。 第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、（ａ）広い帯域を有する導波管との接続構造の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図４８（ａ）において、接続部分における電磁界シミュレーション結果。 比較例に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、（ａ）広い帯域を有する導波管との接続構造の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図４９（ａ）において、接続部分における電磁界シミュレーション結果。 第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、３ｄＢ帯域幅の周波数特性のシミュレーション結果。 実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスを搭載可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、正方格子の配置例、（ｂ）図５１（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。 実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスを搭載可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、三角格子の配置例、（ｂ）図５２（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。 実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスを搭載可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、長方格子の配置例、（ｂ）図５３（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。 実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスを搭載可能な２次元フォトニック結晶スラブにおいて、（ａ）格子点の周期構造であって、菱型格子の配置例、（ｂ）図５４（ａ）に対応する２次元フォトニック結晶スラブのバンド構造図。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
以下の説明において、実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスには、テラヘルツ波送信器、テラヘルツ波受信器、およびデバイス単体で送受信可能なテラヘルツ波送受信器が含まれる。また、実施の形態に係るテラヘルツ波集積回路には、これらのテラヘルツ波デバイスが搭載可能である。
[第１の実施の形態]
（テラヘルツ波集積回路）
テラヘルツ波デバイスとしてテラヘルツ波送信器１８Ｔ、テラヘルツ波受信器１８Ｒを搭載した実施の形態に係るテラヘルツ波集積回路２の模式的鳥瞰構成は、図１に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ波集積回路２において、テラヘルツ波の導波及び導入には、図１に示すように、低損失な誘電体導波路（２次元フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路）を用いる。
実施の形態に係るテラヘルツ波集積回路２は、図１に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯における光波もしくはテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａとを備える。
また、実施の形態に係るテラヘルツ波集積回路２は、図１に示すように、例えば、方向性結合器２０と、方向性結合器２０と２次元フォトニック結晶導波路１４を介して結合される入出力機構１６と、方向性結合器２０と２次元フォトニック結晶導波路１４Ｒを介して結合されるテラヘルツ波受信器（検出器）１８Ｒと、方向性結合器２０と２次元フォトニック結晶導波路１４Ｔを介して結合されるテラヘルツ波送信器（光源）１８Ｔとを備える。
方向性結合器２０は、例えば、格子点の２列間隔分離隔した２次元フォトニック結晶導波路１４1・１４2を備える。
２次元フォトニック結晶導波路１４・１４1・１４2・１４Ｒ・１４Ｔは、２次元フォトニック結晶スラブ１２に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成される。
入出力機構１６は、自由空間からのカプラであって、例えば、１次元フォトニック結晶からなるグレーティングカプラで構成される。尚、入出力機構１６は、２次元フォトニック結晶を用いて構成することも可能である。
テラヘルツ波受信器（検出器）１８Ｒは、例えば、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）などを搭載したテラヘルツ波受信器、あるいはショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）などで構成可能である。
テラヘルツ波送信器（光源）１８Ｔは、ＲＴＤなどを搭載したテラヘルツ波送信器、あるいは量子カスケードレーザ、もしくは、ＣＭＯＳ発振器や、高速フォトダイオードと周波数差がテラヘルツ波に相当する２つの半導体レーザからなるフォトミキサなどで構成可能である。ここで、量子カスケードレーザの材料系としては、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＧａＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮ、Ｓｉ／ＳｉＧｅなどが適用可能である。半導体レーザの材料系としては、例えば、以下のものを適用可能である。すなわち、例えば、波長１．３μｍ〜１．５μｍでは、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、波長９００ｎｍの赤外光では、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、波長８００ｎｍ〜９００の赤外光／近赤外光では、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、波長１．３μｍ〜１．６７μｍでは、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、波長０．６５μｍでは、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、青色光では、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系などを適用可能である。
実施の形態に係るテラヘルツ波集積回路２は、テラヘルツ波を伝播可能である。
また、テラヘルツ波受信器として、ＲＴＤデバイスを用いる場合には、テーパースロットアンテナを集積化した構成を用いても良い。さらに、テーパースロットアンテナではなくダイポールアンテナ、スロットアンテナなどの他種のアンテナ構造を集積したものも使用可能である。
（テラヘルツ波デバイス）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕの模式的鳥瞰構成は、図２に示すように表される。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕは、図２に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４と、２次元フォトニック結晶導波路１４上に配置されたダイオードデバイスとを備える。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいて、テラヘルツ波の導波及び導入には、図２に示すように、低損失な誘電体導波路（２次元フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路）を用いる。
ここで、ダイオードデバイスとしては、２次元フォトニック結晶導波路１４上に配置された共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）デバイス４若しくはＳＢＤを適用可能である。
共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）デバイス４は、テラヘルツ波送信器１８Ｔ、テラヘルツ波受信器１８Ｒ、或いはデバイス単体で送受信可能なテラヘルツ波送受信器として適用可能である。また、ＳＢＤは、テラヘルツ波受信器１８Ｒとして適用可能である。
ＲＴＤデバイス４の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）は、２次元フォトニック結晶導波路１４の中心に来るように配置すると良い。ＲＴＤデバイス４と２次元フォトニック結晶導波路１４との結合効率が上昇するからである。
２次元フォトニック結晶導波路１４上にＲＴＤデバイス４を配置する場合、ＲＴＤデバイス４のエピタキシャル成長層ができるだけ、２次元フォトニック結晶導波路１４の表面に近づくように、ＲＴＤデバイス４の基板を薄く研磨し、さらにＲＴＤ部分が２次元フォトニック結晶導波路１４の中心に来るように配置すると良い。ＲＴＤデバイス４と２次元フォトニック結晶導波路１４との結合効率がより効率が上昇するからである。
（テーパースロットアンテナを集積化したＲＴＤデバイス）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なテーパースロットアンテナを集積化したＲＴＤデバイス４の模式的鳥瞰構成は、図３に示すように表される。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なテーパースロットアンテナを集積化したＲＴＤデバイスは、図３に示すように、半導体基板１００と、半導体基板１００上に配置された第１の電極１２２と、第１の電極１２２上に配置された絶縁層１２３と、第１の電極１２２に対して絶縁層１２３を介して配置され、かつ半導体基板１００上に第１の電極１２２に対向して配置された第２の電極１２４と、絶縁層１２３を挟み第１の電極１２２と第２の電極１２４間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、半導体基板１００上に対向する第１の電極１２２と第２の電極１２４間に配置された共振器６０と、共振器６０の略中央部に配置された能動素子９０と、共振器６０に隣接して、半導体基板１００上に対向する第１の電極１２２と第２の電極１２４間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、半導体基板１００上に対向する第１の電極１２２と第２の電極１２４間に配置されたホーン開口部８０とを備える。
能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、タンネット（ＴＵＮＮＥＴＴ：Tunnel Transit Time）ダイオード、インパット（ＩＭＰＡＴＴ：Impact Ionization Avalanche Transit Time）ダイオード、ＧａＡｓ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、ＧａＮ系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ:Heterojunction Bipolar Transistor）などを適用することもできる。
ホーン開口部８０は、テーパースロットアンテナから構成される。ホーン開口部８０の開口角θは、例えば、１０度程度以下に設定することが、電磁波（ｈν）の放射方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部８０の長さＬ３は、例えば、約７００μｍ程度以下である。ホーン開口部８０の先端部における開口幅は、例えば、約１６０μｍ程度である。
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置されている。導波路７０の長さＬ２は、例えば、約７００μｍ程度以下である。また、導波路７０における第１の電極１２２と第２の電極１２４間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、電磁波を空気中に取り出すために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を空気中に効率よく取り出すことができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、２次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。
共振器６０には、２箇所の凹部１２５、１２６が形成されており、この２つの凹部１２５、１２６に挟まれて、凸部１２７が形成されている。そして、第２の電極１２４の凸部１２７の略中央部には突起部１２８が形成され、この突起部１２８の下側に第１の電極１２２と挟まれるように、能動素子９０が配置される。
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。突起部１２８の長さは、例えば、約６μｍ程度以下である。また、凹部１２５、１２６の幅（第１の電極１２２と第２の電極１２４との間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。能動素子９０の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、能動素子９０のサイズは、この値に限定されず、例えば、約５．３μｍ2程度以下であってもよい。能動素子９０の詳細構造については後述する。共振器６０の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、発振する電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
また、図３に示すように、導波路７０における第１の電極１２２と第２の電極１２４間の間隔に比べて、共振器６０が形成されている部分の第１の電極１２２と第２の電極１２４間の間隔は、狭い。
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属／絶縁体／金属からなるＭＩＭリフレクタ５０の積層構造により、第２の電極１２４と第１の電極１２２は高周波的に短絡されるようになっている。
なお、ここで、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
半導体基板１００は、例えば、半絶縁性のＩｎＰ基板によって形成され、厚さは、例えば、約６００μｍ程度である。尚、厚さは適宜選択可能であり、後述するように薄層化することが望ましい。
第１の電極１２２および第２の電極１２４は、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は半絶縁性のＩｎＰ基板との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極１２２および第２の電極１２４の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度である。なお、第１の電極１２２、第２の電極１２４は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
絶縁層１２３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層３の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。絶縁層３は、化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
ＭＩＭリフレクタ５０は、第１の電極１２２と第２の電極１２４間に絶縁層１２３を介在させた構造から形成されている。また、ＲＴＤからなる能動素子９０は、半絶縁性の半導体基板（ＩｎＰ基板）１００上に配置されている。ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａの一部分をエッチングした表面上に接触して、第１の電極１２２が配置されている。第２の電極１２４は、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に接触して配置されている。さらに、第２の電極１２４は、半絶縁性の半導体基板１００上に延在して配置されている。
このように、第２の電極１２４が、半絶縁性の半導体基板１００上に延在して配置されていることから、互いに短絡されることがなく、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａとｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ間に所定の直流バイアス電圧を印加できる構成を提供している。
なお、第１の電極１２２と第２の電極１２４には、直流電源１１５が接続されるとともに、寄生発振を防止するための抵抗（図示省略）が接続されている。
（共鳴トンネルダイオード）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なＲＴＤデバイスのＲＴＤの模式的断面構造は、図４に示すように表される。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なＲＴＤ９０の構成例は、図４に示すように、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１００上に配置されｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ａと、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置されｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ａと、ＧａＩｎＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９３ｂ上に配置されたＡｌＡｓ層９４ａ／ＧａＩｎＡｓ層９５／ＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部と、ＡｌＡｓ層９４ｂ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９３ａ上に配置されｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９２ｂ上に配置されｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置された第２の電極１２４と、ＧａＩｎＡｓ層９１ａのエッチングされた表面上に配置された第１の電極１２２とを備える。
図４に示すように、ＲＴＤ９０は、ＧａＩｎＡｓ層９５をＡｌＡｓ層９４ａ、９４ｂで挟んで形成されている。このように積層されたＲＴＤ９０は、スペーサとして用いられるアンドープＧａＩｎＡｓ層９３ａ、９３ｂを介在させてｎ型のＧａＩｎＡｓ層９２ａ、９２ｂ、及びｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａ、９１ｂを介して、下側に位置する第１の電極１２２と上側に位置する第２の電極１２４にオーミックに接続される構造となっている。
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
ｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａおよび９１ｂの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍおよび３０ｎｍ程度である。ｎ型のＧａＩｎＡｓ層９１ａおよび９１ｂの厚さは、略等しく、例えば、約５０ｎｍ程度である。アンドープＧａＩｎＡｓ層９３ａおよび９３ｂの厚さは、略等しく、例えば、約５ｎｍ程度である。ＡｌＡｓ層９４ａおよび９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．５ｎｍ程度である。ＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
なお、図４に示す積層構造の側壁部には、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
ＲＴＤデバイス４としては、図３に示すように、テーパースロットアンテナ（ホーン開口部８０）を集積化した構成を用いるが、テーパースロットアンテナではなくダイポールアンテナ、スロットアンテナなどの他種のアンテナ構造を集積したものも使用可能である。
（テラヘルツ波の伝播モード）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、２次元フォトニック結晶スラブ１２とＲＴＤを搭載するＩｎＰ基板１００との間のテラヘルツ波の伝播モードを説明する模式的断面構造は、図５に示すように表される。図５において、ｘ軸方向にテラヘルツ波が伝播する。
Ｓｉ（シリコン）で形成された２次元フォトニック結晶スラブ１２上にＲＴＤ９０を搭載したＩｎＰ基板１００を配置すると、２次元フォトニック結晶導波路１４から伝搬してくる波が、図５に示すように、方向性結合器と同様の原理でＩｎＰ基板１００と２次元フォトニック結晶スラブ１２間でカップリングを繰り返すことになる。ＩｎＰ基板１００上にアンテナが無い場合には、波のエネルギーが完全にＩｎＰ基板１００内へ結合した点にＲＴＤ９０が来れば、もっともＲＴＤ９０に効率よくエネルギーを入射できる。しかしそのためには、ＩｎＰ基板１００の端からＲＴＤ９０に至る距離を結合長ＬCに合わせてカットしなければならない。
テーパースロットアンテナを集積化したＲＴＤデバイス４は、一度ＩｎＰ基板１００内へ結合した波はほとんどがテーパースロットアンテナにキャッチされ、そのままＲＴＤ９０にエネルギーが搬送されるため、テラヘルツ波の進行方向に対するＲＴＤ９０の実装位置精度は緩和される。ただし、波の進行方向に垂直な方向、すなわち横方向（ｙ軸方向）の位置ずれはシビアに特性に影響する。また、この配置はＲＴＤデバイス４のテーパースロットアンテナ（８０：図３）の放射パターンと２次元フォトニック結晶導波路１４の伝搬方向が同一であることも効率上昇に寄与する。
（テーパースロットアンテナを集積化したＲＴＤデバイスとの配置方法１）
２次元フォトニック結晶スラブ１２上にＲＴＤデバイス４を配置した第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕの模式的断面構造は、図６に示すように表される。
ここで、ＲＴＤデバイス４は、ＩｎＰ基板１００と、ＩｎＰ基板１００上に配置された第１の電極１２２および第２の電極１２４と、第１の電極１２２と第２の電極１２４との間に配置されたＲＴＤ９０とを備える。ＲＴＤ９０は、図６では、第１の電極１２２と第２の電極１２４との間に模式的に横方向に配置されるように示されているが、詳細構造では、図３・図４に示すように、第１の電極１２２と第２の電極１２４との間に積層化されて配置されている。
さらに、２次元フォトニック結晶スラブ１２上にコプレーナー実装基板１３０が配置されており、コプレーナー実装基板１３０上に形成された電極１３４と、ＲＴＤデバイス４の第１の電極１２２間にはボンディングワイヤ１３２が接続されている。尚、ボンディングワイヤ１３２の代わりに、導波路で接続する構成を採用しても良い。また、コプレーナー実装基板１３０は、さらに矢印方向の延長方向の端面にＳＭＡコネクタなどを接続しても良い。
ＲＴＤ９０を実装するＩｎＰ基板１００の厚さＴ１は、できるだけ薄い方が望ましい。シミュレーションでは、後述する図２０に示すように、ＩｎＰ基板１００の厚さＴ１を６００μｍ、２００μｍ、２０μｍと振って計算したところ、２０μｍのものが最も良い結果を示した。なお、ＳＢＤを実装する場合には、ＩｎＰ基板の代わりにＧａＡｓ基板を適用することができる。ＧａＡｓ基板の厚さも同様に、できるだけ薄い方が望ましい。
ＲＴＤデバイス４において、ＲＴＤ９０とテーパースロットアンテナを搭載するＩｎＰ基板１００をできるだけ薄くすることは、図５におけるテラヘルツ波の伝播モードの説明と同様に、基板内モードを抑制する効果がある。また、テーパースロットアンテナの集光特性をより良く活用することもできる。また、図６に示すように、Ａｕのボンディングワイヤ１３２をボンディングすることで信号の取り出しおよび導入が可能である。ここで、実験の都合上、Ａｕのボンディングワイヤ１３２を適用したが、金属配線など他の結合手段を適用しても良い。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいては、ＲＴＤ９０とテーパースロットアンテナを搭載するＩｎＰ基板１００をできるだけ薄くすることによって、ＲＴＤ９０部分に効率よくエネルギー搬送することが可能である。
（変形例１：テーパースロットアンテナを集積化したＲＴＤデバイスとの配置方法２）
２次元フォトニック結晶スラブ１２上にＲＴＤデバイス４を配置した第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｄの模式的鳥瞰構成は、図７に示すように表される。
第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｄは、図７に示すように、ダイオードデバイスを２次元フォトニック結晶導波路１４上にアンテナ電極面を下にして、フリップチップに配置している。すなわち、図７の例では、ダイオードデバイスとしてＲＴＤデバイス４を適用し、後述する図８および図９に示すように、ＲＴＤデバイス４を２次元フォトニック結晶導波路１４上にフリップチップに配置している。
上部配置構造の場合、ＲＴＤデバイス４の基板（ＲＴＤの場合はＩｎＰ、ＳＢＤの場合はＧａＡｓ）をできるだけ薄く形成することが望ましいが、研磨の加工限界に律速される。そこで、ダイオードチップを裏返してフリップチップ実装することができれば、ダイオード部分をより２次元フォトニック結晶導波路１４表面に近づけることができる。フリップチップ実装構造は、基板を薄くする構造と同じ効果が期待できる。ただし、このフリップチップ実装構造も基板モードを抑制するためには、できるだけ基板を薄く形成することが望ましい点は同様である。
また、フリップチップ実装構造の配置を実現するためには、２次元フォトニック結晶導波路１４自体に信号取り出し、及び導入のための信号線を配線する必要がある。図７において、電極１４２・１４４は、フリップチップに配置されたＲＴＤデバイス４の電極１２２・１２４に接続された信号線の例である。
（テラヘルツ波デバイスの融合方法）
第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波デバイスの融合方法を説明する模式的断面構造は、図８に示すように表される。
また、２次元フォトニック結晶スラブ上にＲＴＤデバイス４を配置した第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｄの模式的断面構造は、図９に示すように表される。
フリップチップ実装においては、例えば、第１の電極１２２と２次元フォトニック結晶スラブ１２上に形成した信号線１４５とをコンタクトさせながら接着させる方法としては、例えば、導電性ペーストを用いる方法、或いはＡｕのバンプを形成し、このＡｕバンプを介して接続する方法などがある。
２次元フォトニック結晶スラブ１２上にＲＴＤを配置した第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｄにおいて、樹脂層１４６を用いて、樹脂封止した模式的断面構造は、図１０に示すように表される。例えば、張り合わせた時の隙間を樹脂等で充填することで、空気のギャップを緩和することができる。
（変形例２）
ＩｎＰ基板１００Ｔを薄層化した第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｄの模式的断面構造は、図１１に示すように表される。
さらに、ＩｎＰ基板１００Ｔを薄層化した第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｄにおいて、樹脂層１４６を用いて樹脂封止した模式的断面構造は、図１２に示すように表される。
フリップチップ実装においては、アンテナ電極面を下にして、フリップチップ実装する。この場合、ダイオードの位置が２次元フォトニック結晶導波路１４の表面に最も近くなりエネルギーの導入効率も改善可能である。この場合でも、ＩｎＰ基板内モードやＩｎＰ基板１００を介して上部から外部へエネルギーが漏れ出すことを防ぐには、やはりＩｎＰ基板１００の厚さをできるだけ薄くすることが望ましい。
（変形例３）
第１の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｄの模式的断面構造は、図１３に示すように表される。
ＲＴＤデバイス４（１２２、１２４、９０）と２次元フォトニック結晶スラブ１２上に形成した信号線１４５がフリップチップにコンタクトした状態を樹脂層１４６や接着剤等で固定することができれば、塩酸でＩｎＰ基板１００を全て無くしアンテナ電極１２２・１２４とＲＴＤ９０だけの薄い膜が２次元フォトニック結晶スラブ１２上に転写されたことと同じことになる。この場合、ＲＴＤ９０の位置が２次元フォトニック結晶導波路１４の表面に最も近くなりエネルギーの導入効率も変形例２に比べて、さらに改善可能である。また、ＩｎＰ基板内モードやＩｎＰ基板を介して上部から外部へエネルギーが漏れ出すことも防ぐことができる。
（コプレーナー実装基板との実装構造例）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕとコプレーナー実装基板１３０との実装構造例の模式的平面構成は、図１４に示すように表される。また、図１４に対応する表面写真例は、図１５に示すように表される。図１４および図１５に示された構成は、テーパースロットアンテナを集積したＲＴＤデバイスとの配置方法１（図６）に対応している。すなわち、２次元フォトニック結晶導波路１４上部にダイオード(電極構造を含む)の中心が２次元フォトニック結晶導波路１４の中心に来るように配置する。また、ＩｎＰ基板１００はできるだけ研磨して薄くする。今回の試作では２００μｍまでＩｎＰ基板１００を研磨した。一方、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕとして、受信器を構成する場合には、ＲＴＤ９０の代わりにＧａＡｓ基板を薄層化したＳＢＤを搭載可能である。
ここで、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に形成された格子点１２Ａの周期ａは、約２４０μｍである。また、２次元フォトニック結晶スラブ１２を形成するシリコン基板の抵抗率は、約１００００Ωｃｍである。また、図１４において、２次元フォトニック結晶導波路１４の長さＬＳ２は、約１４ｍｍである。
また、図１４・図１５に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２上に形成された２次元フォトニック結晶導波路１４を延伸した２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面には、ＷＲ−３導波管などとの結合性を向上させるために、２次元フォトニック結晶導波路が延伸した断熱的モード変換機構部１０を備えていても良い。断熱的モード変換機構部１０の長さＬＳ１は、例えば、約３ｍｍである。
断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えている。テーパー形状の側面は、傾斜面を有していても良い。また、テーパー形状の側面は、曲面を有していても良い。また、テーパー形状の側面は、段差面を有していても良い。
また、断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる円錐型形状を備えていても良い。
また、断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる四角錘形状を備えていても良い。
また、断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなる楔型形状を備えていても良い。
また、断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる撥型形状を備えていても良い。
また、断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部の厚さが薄くなる階段型形状を備えていても良い。
また、断熱的モード変換機構部１０は、樹脂層により保護されていても良い。
断熱的モード変換機構部１０は、導波管導波路内に挿入可能である。ここで、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジは、端面に接していても良い。また、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジは、端面から離隔していても良い。
さらに、断熱的モード変換機構部１０が配置される２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面は、断熱的モード変換機構部１０の周辺部において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジとの間にギャップを備え、導波管フランジから離隔していても良い。ギャップが有る場合は、導波管フランジは、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔して配置されているため、テラヘルツ入力波の表面モードを抑制することができる。
詳細構造は省略されているが、図１５に示す例では、断熱的モード変換機構部１０が配置される２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面は、断熱的モード変換機構部１０の周辺部において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジとの間にギャップを備えている。
（フォトニック結晶の有無によるＲＴＤ検波強度の周波数特性）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、フォトニック結晶の有無によるＲＴＤ検波強度の周波数特性の実験結果は、図１６に示すように表される。図１６において、曲線ＷＰは、図１４・図１５に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２を適用し、２次元フォトニック結晶導波路１４を伝播したテラヘルツ波をテーパースロットアンテナにより受信した第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの場合の検波強度（ｄＢｍ）を表す。一方、曲線ＷＯＰは、２次元フォトニック結晶スラブ１２を適用せず、テラヘルツ波をテーパースロットアンテナにより直接受信した比較例の検波強度（ｄＢｍ）を表す。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、図１６に示すように、フォトニック結晶の導波帯域ΔＦ（ＰＣ）において、検波強度（ｄＢｍ）が平均して３４ｄＢ改善されている。フォトニック結晶導波路なしで、金属電極兼アンテナを配したダイオードのみだとアンテナの指向性の周波数依存性が大きく影響し、検波強度が最大で５０ｄＢも変動する。これに対し、２次元フォトニック結晶導波路１４を介して、検波すると検波強度の変動も２０ｄＢ以下に抑えることができる。シミュレーション結果では、変動は２ｄＢ以下である。
一方、レンズつきＲＴＤとの検波強度の比較結果によれば、アンテナ利得が自由空間入射と比較して８ｄＢ改善されるレンズ付きＲＴＤと比較して、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、実験的に３―１３ｄＢの検波強度の改善が得られた。
（アイパターン）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、ギガビット通信の実験結果であって、３Ｇｂｐｓにおけるエラーフリー通信時のアイパターンは、図１７に示すように表される。第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、３Ｇｂｐｓリアルタイム通信によるエラーフリー伝送が実現された。すなわち、作製した第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスモジュールの検出動作において３Ｇｂｐｓのエラーフリー通信にも成功した。
（ＲＴＤデバイスの位置ずれ）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいて、２次元フォトニック結晶導波路１４上に搭載するＲＴＤデバイス４の位置ずれ（ｌ1とｌ2との差）が小さい例は、図１８（ａ）に示すように表わされ、位置ずれが大きい例は、図１８（ｂ）に示すように表される。図１８（ａ）では、２次元フォトニック結晶導波路１４上に搭載するＲＴＤデバイス４の位置ずれ（ｌ1とｌ2との差）が周期ａ／８（３０μｍ）と小さい場合に対応し、図１８（ｂ）では、２次元フォトニック結晶導波路１４上に搭載するＲＴＤデバイス４の位置ずれ（ｌ1とｌ2との差）が周期ａ（２４０μｍ）と大きい場合に対応している。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、位置ずれの大小によるＲＴＤ検波強度の周波数特性の実験結果は、図１９に示すように表される。図１９において、曲線ＤＳは、２次元フォトニック結晶導波路１４上に搭載するＲＴＤデバイス４の位置ずれ（ｌ1とｌ2との差）が小さい例（図１８（ａ））に対応し、曲線ＤＬは、２次元フォトニック結晶導波路１４上に搭載するＲＴＤデバイス４の位置ずれ（ｌ1とｌ2との差）が大きい例（図１８（ｂ））に対応する。位置合わせによりフォトニック結晶の導波帯域ΔＦ（ＰＣ）における検波強度が平均で約１８ｄＢ改善される。つまりＲＴＤデバイス４と２次元フォトニック結晶導波路１４の中心は、周期ａ／４以下で精度合わせをすることが望ましい。
（基板厚さ依存性：シミュレーション結果）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００厚さをパラメータとする結合効率の周波数特性のシミュレーション結果は、図２０に示すように表される。
ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００の厚さを６００μｍ、２００μｍ、２０μｍと変化させると、図２０に示すように、ＩｎＰ基板１００の厚さが薄ければ薄いほど、フォトニック結晶の導波帯域ΔＦ（ＰＣ）において、平均結合効率が改善する。例えば、ＩｎＰ基板１００の厚さを６００μｍ、２００μｍ、２０μｍと変化させると、平均結合効率は、−１４ｄＢ、−１３ｄＢ、−１０ｄＢとなり、平均結合効率が改善する。
［第２の実施の形態］
（テラヘルツ波デバイス）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅの模式的鳥瞰構成は、図２１に示すように表される。
第２の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅは、図２１に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４と、２次元フォトニック結晶導波路１４が延伸した２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置されたＲＴＤデバイス４とを備える。
ここで、ＲＴＤデバイス４のＲＴＤ９０と２次元フォトニック結晶導波路１４の端面における電磁界分布のニアフィールドパターンの中心が近くなるように配置するとより結合効率が上昇する。
第１の実施の形態および第２の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、ＲＴＤデバイスの設置方法による結合効率の周波数特性を比較したシミュレーション結果は、図２２に示すように表される。図２２において、曲線Ｕは、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕの上面設置型に対応し、曲線Ｅは、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅの端面設置型に対応している。
２次元フォトニック結晶スラブ１２の２次元フォトニック結晶導波路１４上に配置するだけでなく、端面に配置することでも電磁波の結合は可能である。図２２に示すように、フォトニック結晶の導波帯域ΔＦ（ＰＣ）において、端面結合の方では信号強度が５ｄＢ落ちる結果となっているが、目的によっては使用可能である。
さらに、この時の計算はダイオードの周りを吸収境界条件として設定しているため、ダイオード素子内における多重反射やファブリペローモードが抑制されて強度の変動は２ｄＢ以内に抑えられている。
［第３の実施の形態］
（埋め込み型）
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なＲＴＤデバイス４Ｓの模式的鳥瞰構成は、図２３に示すように表される。図２３において、ＲＴＤデバイス４Ｓの幅はＷD、長さはＬD、厚さはＩｎＰ基板１００の厚さＴ１に略等しい。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なＲＴＤデバイス４Ｓは、図２３に示すように、半導体基板１００と、半導体基板１００上に配置された第１の電極１２２および第２の電極１２４と、半導体基板１００上に配置され、第１の電極１２２および第２の電極１２４に主電極が接続されたＲＴＤ９０とを備える。すなわち、図３に示されたテーパースロットアンテナ部分を切り落とした形状を備え、単にダイオードが電極１２２・１２４に配線されている。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なＲＴＤデバイス４Ｓは、テーパースロットアンテナ型とは異なり、ダイポール型のアンテナを形成している。その他の構成は、図３の構造と同様である。２次元フォトニック結晶導波路との結合方法は、突合せ型、埋め込み型などを採用可能である。
図２３に示されたＲＴＤデバイス４Ｓの構造では、アンテナ動作する部分が無いので、理論的には大きな利得は生じない。このため、何か外部から電磁波を効率よくダイオード部分へ導入する工夫が必要である。例えば、ホーンアンテナに実装して利得を稼いでも良い。すなわち、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能なＲＴＤデバイス４Ｓにおいては、単に電極１２２・１２４を付けるだけではなく、スロットアンテナやパッチアンテナ、ダイポールアンテナなど電磁波が上下方向に出てくるアンテナを集積化しても良い。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、図２４および図２５に示すように、この利得を稼ぐ役割を２次元フォトニック結晶導波路１４からの導入構造に持たせている。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスの模式的鳥瞰構成は、図２４に示すように表される。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｂは、図２４に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４と、２次元フォトニック結晶導波路１４に形成された溝部において、２次元フォトニック結晶導波路１４の上面と表面が面一に配置されたダイオードデバイスとを備える。
ここで、ダイオードデバイスは、図２３に示されたように、テーパースロットアンテナ構造を切り落としたＲＴＤデバイス４Ｓで構成可能である。
ＲＴＤデバイス４Ｓは、半導体基板１００と、半導体基板１００上に配置された第１の電極１２２および第２の電極１２４と、半導体基板１００上に配置され、第１の電極１２２および第２の電極１２４に主電極が接続されたＲＴＤ９０とを備える。
また、ダイオードデバイスは、受信器としては、ＳＢＤでも構成可能である。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｂにおいて、２次元フォトニック結晶導波路１４にコの字型の溝部を形成することによって、図２４に示すように、ＲＴＤデバイス４Ｓの配置精度を良好に確保することができる。すなわち、テラヘルツ波の伝播方向に垂直な横方向の位置調整を簡単にすることができる。
さらに、２次元フォトニック結晶導波路１４にコの字型の溝部を形成することによって、電磁波の閉じ込めを強めることで利得の向上を図ることができる。
前述の通り、テーパースロットアンテナの無い素子は利得を稼げないので、上部に張り合わせた構造では効率よくエネルギーを導入できない。また、十分な結合長ＬCも確保できないため、直接的に電磁波をダイオードチップ内に導入する構造が必要である。第２の実施の形態と同様の端面配置構造のように、２次元フォトニック結晶導波路１４の終端にＲＴＤデバイス４Ｓを配置することで、効率よく電磁波を導入することができる。
さらに、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスのように、２次元フォトニック結晶導波路１４の終端近傍において、ダイオードチップの幅ＷDに合わせて溝を掘ると、横方向のアライメント位置調整も簡単になる。その上、ダイオードチップの両サイドまでフォトニックバンドギャップ効果で伝搬モードが維持されるため、より効率的にダイオードにエネルギーが搬送される。
また、テーパースロットアンテナでは、放射パターンが波の進行方向と一致していたが、基板面に対して垂直方向に電磁波が放射されるその他の形のアンテナ（パッチアンテナ、スロットアンテナ、ダイポールアンテナ等）が集積されていても、上記の配置で十分対応可能である。チップを立てて配置すれば、電磁波の進行方向とアンテナの放射パターンが一致するので、効率的な結合が実現できる。すなわち、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、テーパースロットでないアンテナを集積化した素子でも十分に対応可能となる。
（変形例：突合せ型）
第３の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｃの模式的鳥瞰構成は、図２５に示すように表される。
第３の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｃは、図２５に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４と、２次元フォトニック結晶導波路１４に形成された溝部において、２次元フォトニック結晶導波路１４の２次元フォトニック結晶スラブ１２表面に垂直方向の断面の中央部と表面が一致して配置されたダイオードデバイスとを備える。
２次元フォトニック結晶導波路１４を伝播するテラヘルツ波は、２次元フォトニック結晶導波路１４の中央部において最も電界が強い。したがって、ＲＴＤデバイス４Ｓの電極１２２・１２４の高さを、２次元フォトニック結晶導波路１４の２次元フォトニック結晶スラブ１２表面に垂直方向の断面の中央部の高さと合わせると、図２４に示された埋め込み型に比べて、さらに結合効率が向上する。
第３の実施の形態およびその変形例に係るテラヘルツ波デバイスの結合効率の周波数特性（シミュレーション結果）は、図２６に示すように表される。図２６において、曲線ＢＵは埋め込み型構造（図２４）に対応し、曲線ＢＣは突合せ型構造（図２５）に対応する。また、曲線ＴＳは比較のためのテーパースロット型ＲＴＤを上面設置型で配置した構造例（図２）に対応し、特性は、図２２の曲線Ｕに対応している。
図２６に示すように、第３の実施の形態およびその変形例に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、突合せ型構造（図２５）の場合の方が埋め込み型構造（図２４）の場合に比べて、導波モードの電界分布との結合が良くなった結果、約４ｄＢ結合効率が高くなる．
導波路中央が最も電界が強いので、電極の高さを合わせると、突合せ型の方が埋め込んだ場合に比べ、導波モードの電界分布との結合効率が良好となり、その結果、約４ｄＢ程度結合効率が高くなる。
（基板内の多重反射の影響）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいて、ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００内の多重反射を説明する模式的平面構成は、図２７に示すように表される。図２７においては、ＲＴＤデバイス４が２次元フォトニック結晶スラブ１２上に配置されている。２次元フォトニック結晶スラブ１２の格子点１２Ａの線欠陥により形成される２次元フォトニック結晶導波路１４上にＲＴＤデバイス４のスロットアンテナ部分の導波若しくは受波方向が一致するように配置されている。この状態において、２次元フォトニック結晶導波路１４上を伝播するテラヘルツ波（矢印ＰＷ１）を受信すると、ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００内において、２次元フォトニック結晶導波路１４の延伸する方向の多重反射波（矢印ＰＷＬ）および２次元フォトニック結晶導波路１４の延伸する方向に垂直な方向の多重反射波（矢印ＰＷＶ）が発生する。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいて、このようなＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００内の多重反射による透過率Ｔ（ｄＢ）の周波数特性のばらつきに関するシミュレーション結果は、図２８に示すように表される。図２８において、曲線ＴＴは、送信時の透過特性を表し、曲線ＴＲは、受信時の透過特性を表す。ここで、シミュレーションに用いたＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００の厚さＴ１は、約３５０μｍである。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕの周波数特性は、図２８に示すように、ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００内の多重反射に起因する周波数特性によって、帯域が狭められている。また、図２８に示すように、透過率Ｔの強度変化として、２５ｄＢ以上の強度変化もシミュレーション結果により得られている。また、ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００内での多重反射が影響して、周波数依存性のばらつきも大きくなっている。このため、改善には、ＩｎＰ基板１００内における多重反射の影響を緩和する構造が必要である。
テーパースロットアンテナを有するＲＴＤデバイス４の場合、波の伝搬方向とアンテナの放射パターンが同一方向に形成されることは利得向上にはつながるが、多重反射との方向も一致するため影響が出やすい。
（第４の実施の形態：端面設置型）
ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００内の多重反射による透過率の周波数特性のばらつきを改善する第４の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅの模式的鳥瞰構成は、図２９（ａ）に示すように表され、図２９（ａ）のＲＴＤデバイス４と２次元フォトニック結晶スラブ１２との結合部分Ａの拡大図は、図２９（ｂ）に示すように表される。
第４の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅにおいては、２次元フォトニック結晶導波路１４中で、導波されるテラヘルツ波の最も強度の高い中央部分とテーパースロットアンテナの高さを合わせて端面入射させる構成を備える。ここで、適用したフォトニック結晶スラブ１２の厚さは約２００μｍであり、ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００の厚さは、約１００μｍである。
第４の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅにおいては、テーパースロットアンテナ集積型のＲＴＤデバイス４を２次元フォトニック結晶導波路１４が延伸した２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置し、かつ２次元フォトニック結晶導波路１４中の電磁界分布が強くなる中央部分ＣＰとテーパースロットアンテナの高さを破線で示すように合わせている。このような配置を採用することで、第４の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅの端面設置型において、周波数変動が抑制可能である。
第４の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅにおいて、透過率Ｔ（ｄＢ）の周波数特性に関するシミュレーション結果は図３０に示すように表される。図３０において、曲線Ｅは、第４の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅ（図２９（ａ））に示される端面設置型構造に対応し、曲線Ｕは、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕ（図２）に示される上面設置型構造に対応する。
第４の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｅの端面設置型においては、図３０に示すように、多重反射の影響が５〜７ＧＨｚ間隔での３〜５ｄＢの変動に抑えられていることが、透過率Ｔ（ｄＢ）の周波数特性に関するシミュレーション結果より得られている。
（第５の実施の形態：テラヘルツ波吸収体の設置）
ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００内の多重反射による透過率の周波数特性のばらつきを改善する第５の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕの模式的鳥瞰構成は、図３１に示すように表される。
第５の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕは、図３１に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２上のＲＴＤデバイス４の周囲に配置されたテラヘルツ波吸収体１５０を備える。
ここで、テラヘルツ波吸収体１５０は、キャリアドープされた半導体層、ポリマーフォトニック結晶層、金属微細構造を有するメタマテリアル層などで形成可能である。
第５の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいては、図３１に示すように、テラヘルツ波吸収体１５０をＲＴＤデバイス４の周囲に配置することで、ＲＴＤデバイス４を構成するＩｎＰ基板１００とテラヘルツ波吸収体１５０との比誘電率の差が、ＩｎＰ基板１００と空気との比誘電率差に比べて軽減される。このため、ＲＴＤデバイス４のＩｎＰ基板１００端での反射を軽減可能である。
第５の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいては、２次元フォトニック結晶導波路１４を伝播してきたテラヘルツ波は、図３１中の矢印で示すように、テラヘルツ波吸収体１５０によって吸収可能である。
テラヘルツ波吸収体１５０としてシリコン基板を適用する場合には、キャリアドープすることでシリコン基板における吸収損失を増大可能であるため、シリコン基板内での多重反射を軽減することも可能である。ここで、テラヘルツ波吸収体１５０を構成するシリコン基板の抵抗率は、例えば、約１００Ωｃｍであり、厚さは、例えば、約２００μｍである。また、ＲＴＤデバイス４を構成するＩｎＰ基板１００の厚さも例えば、約２００μｍである。
第５の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいて、透過率Ｔ（ｄＢ）の周波数特性のシミュレーション結果は、図３２に示すように表される。図３２において、曲線ＷＡは、テラヘルツ波吸収体１５０を備える場合に対応し、曲線ＷＯＡは、テラヘルツ波吸収体１５０を備えない場合に対応する。
第５の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいては、ＲＴＤデバイス４の周りにテラヘルツ波吸収体１５０を配置することによって、多重反射の影響を低減化可能である。
第５の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｕにおいては、図３２に示すように、３４０ＧＨｚ以上の周波数ｆにおいて、局所的な透過率Ｔ（ｄＢ）の変動が１ｄＢ以下に抑制され、３ｄＢ帯域も２０ＧＨｚ以上確保可能である。
(第６の実施の形態：テラヘルツ波デバイス埋め込み構造)
第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｔの模式的平面パターン構成は、図３３に示すように表される。
第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｔは、図３３に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４と、２次元フォトニック結晶導波路１４の上に配置された金属パターンとしてテーパースロットアンテナ（１２２・１２４）と、テーパースロットアンテナ（１２２・１２４）上に配置されたＲＴＤ９０とを備える。
第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｔにおいては、図３３に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４上に、テーパースロットアンテナ（１２２・１２４）パターンを形成し、このテーパースロットアンテナ（１２２・１２４）パターン上にＲＴＤ９０をダイボンディングによって形成している。
テーパースロットアンテナ（１２２・１２４）のテーパー長ＬTは、図３３に示すように、ＲＴＤ９０の配置される位置からテーパースロットアンテナ（１２２・１２４）の先端位置までの長さで表される。テーパー長ＬTは、フォトニック結晶の格子定数ａのＮ倍、すなわち、ＬT＝Ｎａで表される。ここで、Ｎは自然数である。
第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｔにおいては、第１の実施の形態（図２）の構造とは異なり、２次元フォトニック結晶導波路１４上にテーパースロットアンテナ（１２２・１２４）を形成する。
第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｔは、ＲＴＤチップをハイブリッド集積するのではなく、２次元フォトニック結晶導波路１４の表面に金属アンテナパターンを形成し、伝送路中にテラヘルツ波能動素子（ＲＴＤ等，ダイオードなど）を埋め込むことでモノリシックに形成している。ここで、テラヘルツ波能動素子としては、ＲＴＤ等が適用される。ＲＴＤ９０は、テーパースロットアンテナ（１２２・１２４）を構成する第１の電極１２２・第２の電極１２４間に集積化可能である。また、テラヘルツ波の検出素子としては、ＲＴＤ若しくはＳＢＤなどを適用可能である。なお、ハイブリッドで形成する場合、例えば、２次元フォトニック結晶導波路１４部分をくりぬいて、金属アンテナパターンおよびテラヘルツ波能動素子（ＲＴＤ等，ダイオードなど）を埋め込み形成しても良い。
アンテナ構造としては、図３３には、テーパースロットアンテナの例が示されているが、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、リングスロットアンテナ、ボータイアンテナなどを適用しても良い。
第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｔにおいて、図３３中の矢印に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４に対してテラヘルツ波を導入し、テラヘルツ波デバイスの結合効率の周波数特性を計算したシミュレーション結果は、図３４に示すように表される。ここで、テーパー長ＬT＝６．５ａとしている。
第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｔにおいては、２次元フォトニック結晶導波路１４上にテーパースロットアンテナ（１２２・１２４）を形成するため、半導体基板（ＩｎＰ基板）１００の影響がなくなる。このため、高い結合効率が得られる。フォトニック結晶伝送路の伝搬帯域ΔＦ（ＰＣ）における平均結合効率は、−約７．８ｄＢである。図２０に示された第１の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスのＲＴＤデバイスの基板厚さ２０μｍの場合の結合効率の周波数特性と比較して、結合効率は約２．２ｄＢ改善されている。
また、第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｔにおいては、結合効率の３ｄＢ帯域も４０ＧＨｚであり、広帯域特性のシミュレーション結果が得られている。
第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、平均結合効率のテーパー長ＬT依存性（シミュレーション結果）は、図３５に示すように表される。図３５に示すように、平均結合効率には、テーパー長ＬTの最適値が存在する。ただし，ＬT＝４．５ａから７．５ａの範囲ではいずれもハイブリッド集積よりも効率が高い。
第６の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｔにおいては、ＲＴＤ９０とテラヘルツ波帯の２次元フォトニック結晶導波路１４の融合構成として、高効率で広帯域化された構造を提供可能である。第１の実施の形態の構成に比べて、フォトニック結晶表面に金属アンテナを形成することで、２次元フォトニック結晶導波路１４中の電磁波を効率よくカップリングさせることができる。
第６の実施の形態によれば、ただ単にハイブリッド集積化するのではなく、モノリシックに集積化したアンテナパターンを用いることで、高効率化および広帯域化を実現可能である。
第６の実施の形態によれば、誘電体導波路との結合効率が向上し、また広帯域化可能なテラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波デバイスを搭載可能なテラヘルツ波集積回路を提供することができる。
(第７の実施の形態：金属線路のフォトニック結晶表面への装荷)
第７の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴの模式的平面パターン構成は、図３６に示すように表される。
第７の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴは、図３６に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４と、２次元フォトニック結晶導波路１４の上に配置された金属パターンとして金属スロット線路１５２・１５４とを備える。
第７の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいては、図３６中の矢印に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４に対して導入されフォトニック結晶中を伝播するテラヘルツ波を表面の金属スロット線路１５２・１５４へ取り出すことができる。
（変形例）
第７の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｓは、図３７に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４の上に配置された金属パターンとして金属スロット線路１５２・１５４の代わりに金属ストリップ線路１５６を備える。その他の構成は、第７の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴと同様である。
第７の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｓにおいても、図３７中の矢印に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４に対して導入されフォトニック結晶中を伝播するテラヘルツ波を表面の金属ストリップ線路１５６へ取り出すことができる。
第７の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、２次元フォトニック結晶導波路１４の延伸する方向に沿う模式的断面構造例１は、図３８（ａ）に示すように表され、２次元フォトニック結晶導波路１４の延伸する方向に沿う模式的断面構造例２は、図３８（ｂ）に示すように表される。
第７の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴは、図３８（ａ）若しくは図３８（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の裏面側に裏面電極層８８を備えていても良い。裏面電極層８８を配置することによって、２次元フォトニック結晶導波路１４上に配置される金属スロット線路１５２・１５４や金属ストリップ線路１５６を伝搬するテラヘルツ波の電磁界分布を安定化させ、また特性インピーダンスの変動を抑制し、安定化する効果が得られる。
裏面電極層８８は、図３８（ａ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の裏面側にギャップ８６を介して配置されていても良い。また、裏面電極層８８は、図３８（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の裏面に直接配置されていても良い。また、裏面電極層８８は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の裏面全体に配置されていても良い。また、裏面電極層８８は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の裏面側であって、表面の２次元フォトニック結晶導波路１４に対応する領域幅に配置されていても良い。このような裏面電極層８８は、第７の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波デバイス１４０Ｓにおいても同様に配置可能である。
また、第７の実施の形態によれば、電極パターンのみでなく、機能的な回路を集積化することも可能である。また、第７の実施の形態に係る導波路技術は、テラヘルツ波の応用の際、スマートなシステムの構築やテラヘルツ波集積回路などの基盤技術として、適用可能である。
また、第７の実施の形態によれば、ＲＴＤ内部の電磁界エネルギーを高効率に２次元フォトニック結晶導波路１４内へ結合させ、逆に２次元フォトニック結晶導波路１４内部の電磁界エネルギーを高効率にＲＴＤ９０内へ結合させることができる。
また、第７の実施の形態によれば、効率の改善以上に、金属線の電極パターンを導波路上に形成するという構造自体が、様々な応用面へ適用可能である。
また、第７の実施の形態によれば、実装プロセスの簡略化や信頼性の向上にも有効であり、信号線として利用すれば、機能的な回路として集積化への応用も可能である。
第７の実施の形態およびその変形例によれば、誘電体導波路との結合効率が向上し、また広帯域化可能なテラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波デバイスを搭載可能なテラヘルツ波集積回路を提供することができる。
（第８の実施の形態：センシング，スイッチ等への応用）
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴの模式的平面パターン構成は、図３９（ａ）に示すように表され、図３９（ａ）において、２次元フォトニック結晶導波路１４の延伸するｘ方向に沿う模式的断面構造は、図３９（ｂ）に示すように表される。
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴは、図３９（ａ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２と、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折させる格子点１２Ａと、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に配置され、格子点１２Ａの線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路１４と、２次元フォトニック結晶導波路１４上に配置された金属パターンとして、所定の長さを有する金属スロット線路１５２・１５４とを備える。
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、デバイス表面へのテラヘルツ波の取出し動作は、図３９（ｂ）内の矢印で示すように表される。すなわち、２次元フォトニック結晶導波路１４のフォトニック結晶中を伝播するテラヘルツ波は、金属スロット線路１５２・１５４の金属中に電界が引き寄せられる。このため、金属スロット線路１５２・１５４の表面および金属スロット線路１５２・１５４間の２次元フォトニック結晶導波路１４の表面へテラヘルツ波が取り出される。
図３９（ｂ）において、破線で示される長方形は、テラヘルツ波の波束を模式的に表わす。破線で示される１個の長方形が連続する正方向および負方向の波束を模式的に表わす。フォトニック結晶中をｘ方向に伝播して来たテラヘルツ波の波束は、金属スロット線路１５２・１５４の金属中に電界が引き寄せられるため、金属スロット線路１５２・１５４の表面および金属スロット線路１５２・１５４間の２次元フォトニック結晶導波路１４の表面へ取り出されて伝播する。図３９（ａ）において、破線で示される長円形は、金属スロット線路１５２・１５４間の２次元フォトニック結晶導波路１４の表面を伝播するテラヘルツ波の波束を模式的に表わす。
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいては、金属スロット線路１５２・１５４のｘ方向の長さを適切な所定の長さに設計することで、図３９（ｂ）内の矢印で示すように、フォトニック結晶へテラヘルツ波を戻すことができる。例えば、金属スロット線路１５２・１５４のｘ方向の長さを結合長ＬCの偶数倍の長さに設計することで、フォトニック結晶へテラヘルツ波を戻すことができる。
（表面へのテラヘルツ波の取り出しの応用：相互作用）
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、デバイス表面へのテラヘルツ波の取出し応用（相互作用）の説明であって、ダイオード、自由キャリア、センシング検体等の検出部１５８を金属スロット線路１５２・１５４間に配置した模式的平面パターン構成は、図４０（ａ）に示すように表され、図４０（ａ）において、２次元フォトニック結晶導波路１４の延伸するｘ方向に沿う模式的断面構造は、図４０（ｂ）に示すように表される。
検出部１５８として、ＲＴＤ若しくはＳＢＤなどのダイオードを２次元フォトニック結晶導波路１４の表面のテラヘルツ波の伝播部分に埋め込めれば、高い結合効率が実現できる。検出部１５８として、ＲＴＤ若しくはＳＢＤなどのダイオードチップを２次元フォトニック結晶導波路１４の表面にハイブリッド集積化する場合も同様である。
検出部１５８は、金属スロット線路１５２・１５４上に配置しても良い。ただし、テラヘルツ波との相互作用を効率的に行うためには、金属スロット線路１５２・１５４間に配置することが望ましい。
また、金属スロット線路１５２・１５４間に印加する電界もしくは金属スロット線路１５２・１５４間への光照射や電子ビーム照射によって、金属スロット線路１５２・１５４間のフォトニック結晶中に自由キャリアを発生させることによって、検出部１５８を形成しても良い。また、このような自由キャリアの発生により形成した検出部１５８を複数個発生させると、検出部１５８は、テラヘルツ波の金属反射鏡のように振る舞うことが可能となるため、複数の検出部１５８間にテラヘルツ波を閉じ込めることも可能である。
検出部１５８として、自由キャリアを２箇所発生させて、２箇所の自由キャリア間にテラヘルツ波を閉じ込めたりすることで、自由キャリアの反射鏡効果で共振器やフィルタも形成可能である。
また、検出部１５８として、センシング検体等を金属スロット線路１５２・１５４間に配置しても良い。センシング検体の例としては、タンパク質や薬品など、また抗原抗体反応のための抗原若しくは抗体なども適用可能である。
したがって、第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいては、テラヘルツ波を吸収・反射させ、テラヘルツ波共振器やテラヘルツ波フィルタを構成することもでき、さらに、テラヘルツ波スイッチ・テラヘルツ波変調機能を発現させることも可能である。
また、電界の強い部分にセンシング検体となる検出部１５８を配置することによって、高感度のテラヘルツ波センシングも可能である。
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいては、誘電体導波路との結合効率が向上し、また広帯域化可能なテラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波デバイスを搭載可能なテラヘルツ波集積回路を提供することができる。さらに、ダイオード、自由キャリア、センシング検体等の検出部１５８を金属スロット線路１５２・１５４間に配置することによって、テラヘルツ波を吸収・反射させ、スイッチ・変調、高感度のテラヘルツ波センシング機能を発現することができる。
（表面電界強度：シミュレーション結果）
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、表面電界強度のシミュレーション結果は、図４１に示すように表される。図４１の表面電界強度のシミュレーション結果は、２次元フォトニック結晶導波路１４の表面にギャップ間隔ＭＧＡＰ＝１０μｍの金属スロット線路１５２・１５４を形成した場合に相当している。このシミュレーションでは、金属スロット線路１５２・１５４の伝搬方向の長さは半無限に設定している。図４１に示すように、金属スロット線路１５２・１５４の微小ギャップ中の電界強度が強くなっている。
（断面電界強度：シミュレーション結果）
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、断面電界強度のシミュレーション結果は、図４２に示すように表される。２次元フォトニック結晶導波路１４中をテラヘルツ波が伝搬してきて、金属スロット線路１５２・１５４の金属線路装荷領域ＭＧＲに入ると、図４２に示すように、結合長ＬCで方向性結合現象が起きる。すなわち、図４２に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４の表面の電界が強い位置は、破線の長円形ＥＡ１・ＥＡ２・ＥＡ３で示すように表される。逆に、２次元フォトニック結晶導波路１４の表面の電界が弱い位置では、２次元フォトニック結晶導波路１４の伝送路内部の電界が強い。
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、金属スロット線路１５２・１５４を２次元フォトニック結晶導波路１４の表面に装荷すると、テラヘルツ波が伝搬するにつれて、図４２に示すように、金属スロット線路１５２・１５４間の２次元フォトニック結晶導波路１４の表面の電界が強い位置と電界が弱い位置が繰り返されて、結合長ＬCで方向性結合現象が起きている。
（伝搬方向の表面電界強度プロファイル）
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、伝搬方向の表面電界強度プロファイルは、図４３に示すように表される。横軸は、２次元フォトニック結晶導波路１４上に配置される金属スロット線路１５２・１５４の金属線路装荷領域ＭＧＲの端面を伝搬方向ｘのゼロ点とし、金属線路装荷領域ＭＧＲが延伸する方向を正方向の距離ｘ（μｍ）で表したものである。
図４３に示すように、「表面」に電界強度が強い部分Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３・Ｓ４…が存在する。この表面電界強度が強い部分Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３・Ｓ４…の位置は、座標ｘが結合長ＬCの奇数倍の距離に相当している。
また、図４３に示すように、「内部」に電界強度が強い部分Ｂ１・Ｂ２・Ｂ３・Ｂ４…が存在する。こ内部電界強度が強い部分Ｂ１・Ｂ２・Ｂ３・Ｂ４…の位置は、座標ｘが結合長ＬCの偶数倍の距離に相当している。
例えば、この表面電界強度が強い部分Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３・Ｓ４…の位置において、ダイオード、自由キャリア、センシング検体等の検出部１５８を配置することによって、前述の各種の相互作用を効率的に引き起こすことが可能である。
また、例えば、内部電界強度が強い部分Ｂ１・Ｂ２・Ｂ３・Ｂ４…の位置において金属スロット線路１５２・１５４を終端することで、テラヘルツ波を再び、２次元フォトニック結晶導波路１４へ効率的に戻すことができる。
（結合長ＬCの２倍の長さの金属スロット線路）
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、結合長ＬCの２倍の長さの金属スロット線路１５２・１５４の金属線路装荷領域ＭＧＲを有する２次元フォトニック結晶導波路１４の表面電界強度プロファイルは、図４４（ａ）に示すように表され、図４４（ａ）において、伝搬方向の断面電界強度プロファイルは、図４４（ｂ）に示すように表される。金属スロット線路１５２・１５４間には、ギャップ間隔ＭＧＡＰが形成されている。また、図４４（ｂ）において、金属スロット線路１５２・１５４の金属線路装荷領域ＭＧＲで示される部分が、２次元フォトニック結晶導波路１４上に金属スロット線路１５２・１５４が配置される部分に対応している。
図４４（ａ）および図４４（ｂ）に示すように、金属スロット線路１５２・１５４の伝搬方向に沿う長さを結合長ＬCの２倍とすることで、金属スロット線路１５２・１５４の伝搬方向に沿うほぼ中央部分の表面電界強度が強くなる。また、テラヘルツ波が方向性結合現象に基づき、金属スロット線路１５２・１５４の伝搬方向に沿うほぼ端面近傍において、再び２次元フォトニック結晶導波路１４中を伝搬する。
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、２次元フォトニック結晶導波路１４の表面の金属スロット線路１５２・１５４間にダイオードを埋め込んだ場合の結合効率の周波数特性のシミュレーション結果は、図４５に示すように表される。ここで、ダイオードとしては、ＲＴＤ若しくはＳＢＤなどを適用可能である。
図４５に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４の表面の金属スロット線路１５２・１５４間に電界が引き寄せられた結果、フォトニック結晶伝送路の伝搬帯域ΔＦ（ＰＣ）における結合効率は、約−５．５ｄＢ(２８％)という高い値が得られている。この値は、第６の実施の形態における約−７．８ｄＢに比べ、約３０％向上している。
（結合効率とギャップ間隔ＭＧＡＰとの関係：シミュレーション）
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、２次元フォトニック結晶導波路１４から金属スロット線路１５２・１５４への結合効率とギャップ間隔ＭＧＡＰとの関係のシミュレーション結果は、図４６（ａ）に示すように表される。また、２次元フォトニック結晶導波路１４と金属スロット線路１５２・１５４との結合部分近傍の模式的平面パターン構成は、図４６（ｂ）に示すように表される。
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、図４６（ａ）に示すように、ギャップ間隔ＭＧＡＰは狭いほど、２次元フォトニック結晶導波路１４表面近傍の電界強度は強くなり、結合効率は増加する。
一方で，空間的な大きさの関係でギャップ間隔ＭＧＡＰが小さすぎると、図４６（ａ）に示すように、結合効率が低下する。ギャップ間隔ＭＧＡＰとしては、１００ｎｍからフォトニック結晶の格子定数ａ程度が望ましいが、図４６（ａ）に示すように、５μｍから２０μｍがより望ましい。
（ダイオードチップとの結合の例）
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいて、金属スロット線路１５２・１５４上にダイオードチップをフリップチップに結合した状態の模式的平面パターン構成は、図４７（ａ）に示すように表され、図４７（ａ）において、２次元フォトニック結晶導波路の延伸する方向に沿う模式的断面構造は、図４７（ｂ）に示すように表され、図４７（ｂ）において、ＦＣ部分の拡大図は、図４７（ｃ）に示すように表される。
図４７（ａ）・図４７（ｂ）・図４７（ｃ）に示すように、２次元フォトニック結晶導波路１４上にギャップ間隔ＭＧＡＰを有する金属スロット線路１５２・１５４を形成し、さらに、金属スロット線路１５２・１５４上に接着層１６０を介してＲＴＤ９０をフリップチップにダイボンディングする。接着層１６０の厚さが薄いほど、結合効率は高い。接着層１６０としては、例えば、厚さ約５μｍのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート：polyethylene terephthalate）テープなどを適用しても良い。ダイオードチップとしては、ＲＴＤ若しくはＳＢＤなどを適用可能である。
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイス１４０ＳＴにおいては、効率的に電磁波が結合できるようになり、従来と比較して約２．２ｄＢの効率改善と約４０ＧＨｚにわたる広帯域な結合特性が得られる。
また、効率の改善以上に、金属スロット線路１５２・１５４の線路パターンを２次元フォトニック結晶導波路上に形成する構成により、様々な応用面の広がりを有する。
第８の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、実装プロセスの簡略化や信頼性の向上にも有効であり、金属スロット線路を信号線として利用すれば、機能的な回路として集積化への適用も可能である。
第８の実施の形態によれば、誘電体導波路との結合効率が向上し、また広帯域化可能なテラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波デバイスを搭載可能なテラヘルツ波集積回路を提供することができる。
(第９の実施の形態：導波管との接続構造)
第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、広い帯域を有する導波管２６との接続構造の模式的平面パターン構成は、図４８（ａ）に示すように表され、図４８（ａ）において、接続部分における電磁界シミュレーション結果は、図４８（ｂ）に示すように表される。
一方、比較例に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、広い帯域を有する導波管２６との接続構造の模式的平面パターン構成は、図４９（ａ）に示すように表され、図４９（ａ）において、接続部分における電磁界シミュレーション結果は、図４９（ｂ）に示すように表される。
第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、図４８（ａ）および図４８（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２上に形成された２次元フォトニック結晶導波路１４を延伸した２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面には、ＷＲ−３導波管２６などとの結合性を向上させるために、２次元フォトニック結晶導波路１４が延伸した断熱的モード変換機構部１０を備える。
断熱的モード変換機構部１０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の平面視において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔するにしたがって、先端部が細くなるテーパー形状を備えている。
断熱的モード変換機構部１０は、導波管２６内に挿入可能である。ここで、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジ４０は、端面に接していても良い。また、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジ４０は、端面から離隔していても良い。
さらに、断熱的モード変換機構部１０が配置される２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面は、断熱的モード変換機構部１０の周辺部において、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジ４０との間にギャップ領域ＳＣＧ（図４８（ａ））を備え、導波管フランジ４０から離隔していても良い。ギャップＳＣＧ（図４８（ａ））が有る場合は、導波管フランジ４０は、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面から離隔して配置されているため、テラヘルツ入力波の表面モードを抑制することができる。
第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、図４８（ａ）および図４８（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジ４０との間のギャップ領域ＳＣＧは、格子定数ａの１〜１．５倍程度の相対的に微小な領域である。
一方、比較例に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、図４９（ａ）および図４９（ｂ）に示すように、２次元フォトニック結晶スラブ１２の端面に配置される導波管フランジ４０との間のギャップ領域は、格子定数ａの２ａ×５ａ程度の相対的に大きな領域である。図４９（ａ）において、ギャップＷGは２ａ程度である。
第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、図４８（ｂ）および図４９（ｂ）に示すように、接続部分での電磁界の広がりが低減している。
第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいて、３ｄＢ帯域幅の周波数特性のシミュレーション結果は、図５０に示すように表される。シミュレーションにおいて、２次元フォトニック結晶導波路１４の長さは、２ｃｍとしている。図５０において、実線ＮＤは、図４８（ａ）に示された第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに対応し、破線ＦＤは、図４８（ｂ）に示された比較例に係るテラヘルツ波デバイスに対応している。
第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、図５０に示すように、３ｄＢ帯域幅が２倍に改善している。この結果、第９の実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスにおいては、高速通信が可能になる。
（格子点の周期構造とバンド構造）
上述ように、実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスは、テラヘルツ波の導波に適した低損失な誘電体導波路（フォトニック結晶を用いた線欠陥導波路）と高効率に結合可能である。
実施の形態に係るテラヘルツ波デバイスに適用可能な２次元フォトニック結晶スラブ１２の格子点１２Ａの周期構造であって、正方格子・三角格子・長方格子・菱型格子（面心長方格子）の配置例は、図５１（ａ）・図５２（ａ）・図５３（ａ）・図５４（ａ）に示すように模式的に表され、対応する２次元フォトニック結晶スラブ１２のバンド構造は、図５１（ｂ）・図５２（ｂ）・図５３（ｂ）・図５４（ｂ）に示すように表される。
格子点１２Ａは、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていても良い。
また、格子点１２Ａは、正方格子若しくは長方格子に配置され、かつフォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＭ点における電磁波を２次元フォトニック結晶スラブ１２面内で回折可能である。
また、格子点１２Ａは、面心長方格子若しくは三角格子に配置され、かつフォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造におけるΓ点、Ｘ点、若しくはＪ点における電磁波をフォトニック結晶スラブ面内で回折可能である。
すなわち、格子点１２Ａは、２次元フォトニック結晶スラブ１２内に周期的に配置され、２次元フォトニック結晶スラブ１２のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、２次元フォトニック結晶スラブ１２の面内での存在を禁止するために回折可能である。
また、格子点１２Ａは、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの孔形状を備えていても良い。
以上説明したように、本発明によれば、誘電体導波路との結合効率が向上しかつ広帯域化可能なテラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波デバイスを搭載可能なテラヘルツ波集積回路を提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
本発明のテラヘルツ波デバイス、およびテラヘルツ波集積回路は、デバイスベースでは、テラヘルツ発振器モジュール基板、高周波共振回路基板、信号増幅器など、応用ベースでは、テラヘルツ波帯の集積回路のプラットホームを形成可能であり、テラヘルツ波イメージング装置、センシング装置、高速無線通信器など幅広い応用分野に適用可能である。
２…テラヘルツ波集積回路
４、４Ｓ…ＲＴＤデバイス
１０…断熱的モード変換機構部
１２…２次元フォトニック結晶スラブ
１２Ａ…格子点（空孔）
１４、１４1、１４2、１４Ｒ、１４Ｔ…２次元フォトニック結晶導波路
１６…入出力機構（グレーティングカプラ）
１８Ｔ…光源（送信器）
１８Ｒ…検出器（受信器）
２０…方向性結合器
２６…導波管
４０…導波管フランジ
５０…ＭＩＭリフレクタ
６０…共振器
７０…導波路
８０…ホーン開口部（テーパースロットアンテナ）
８６…ギャップ
８８…裏面電極層
９０…能動素子（ＲＴＤ）
１００、１００Ｔ…半導体基板（ＩｎＰ基板）
１１５…直流電源
１２２…第１の電極
１２３…絶縁層
１２４…第２の電極
１３０…コプレーナー実装基板
１３２…ボンディングワイヤ
１３４、１４２、１４４…電極
１３６…コネクタ
１４０、１４０Ｕ、１４０Ｄ、１４０Ｅ、１４０Ｂ、１４０Ｃ、１４０Ｔ、１４０ＳＴ、１４０Ｓ…テラヘルツ波デバイス
１４５…信号線
１４６…樹脂層
１５０…テラヘルツ波吸収体
１５２、１５４…金属スロット線路
１５６…金属ストリップ線路
１５８…ダイオード、自由キャリア、センシング検体等
１６０…接着層
ａ…周期（格子定数）
ＬC…結合長
ΔＦ（ＰＣ）…フォトニック結晶の導波帯域
ＬT…テーパー長
ＭＧＡＰ…ギャップ間隔
ＭＧＲ…金属線路装荷領域
ＷG…ギャップ距離

Claims (17)

  1. ２次元フォトニック結晶スラブと、
    前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
    ２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
    前記２次元フォトニック結晶導波路に形成された溝部において、前記２次元フォトニック結晶導波路の上面と表面が面一に配置されたダイオードデバイスと
    を備えることを特徴とするテラヘルツ波デバイス。
  2. ２次元フォトニック結晶スラブと、
    前記２次元フォトニック結晶スラブ内に周期的に配置され、前記２次元フォトニック結晶スラブのフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を、前記２次元フォトニック結晶スラブの面内での存在を禁止するために回折させる格子点と、
    ２次元フォトニック結晶スラブ内に配置され、前記格子点の線欠陥により形成された２次元フォトニック結晶導波路と、
    前記２次元フォトニック結晶導波路に形成された溝部において、前記２次元フォトニック結晶導波路の前記２次元フォトニック結晶スラブ表面に垂直方向の断面の中央部と表面が一致して配置されたダイオードデバイスと
    を備えることを特徴とするテラヘルツ波デバイス。
  3. 前記ダイオードデバイスは、共鳴トンネルダイオードデバイスを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波デバイス。
  4. 前記共鳴トンネルダイオードデバイスは、
    半導体基板と、
    前記半導体基板上に配置された第１の電極および第２の電極と、
    前記半導体基板上に配置され、前記第１の電極および前記第２の電極に主電極が接続された共鳴トンネルダイオードと
    を備えることを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波デバイス。
  5. 前記共鳴トンネルダイオードデバイスは、
    前記共鳴トンネルダイオードに集積化されたダイポールアンテナ、パッチアンテナ、スロットアンテナのいずれかを備えることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ波デバイス。
  6. 前記２次元フォトニック結晶導波路の中央部分の高さと前記第１の電極若しくは前記第２の電極の高さを合わせたことを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波デバイス。
  7. 前記ダイオードデバイスは、ショットキーダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波デバイス。
  8. 前記共鳴トンネルダイオードデバイスは、
    半導体基板と、
    前記半導体基板上に配置された第１の電極と、
    前記第１の電極上に配置された絶縁層と、
    前記第１の電極に対して前記絶縁層を介して配置され、かつ前記半導体基板上に前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
    前記絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
    前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
    前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
    前記共振器に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された導波路と、
    前記導波路に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置されたホーン開口部と
    を備えることを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波デバイス。
  9. 前記能動素子は共鳴トンネルダイオードを備えることを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ波デバイス。
  10. 前記ホーン開口部は、テーパースロットアンテナを備えることを特徴とする請求項８または９に記載のテラヘルツ波デバイス。
  11. 前記半導体基板は、薄層化されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載のテラヘルツ波デバイス。
  12. 前記格子点は、正方格子、長方格子、面心長方格子、若しくは三角格子のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のテラヘルツ波デバイス。
  13. 前記格子点は、多角形、円形、楕円形若しくは長円形のいずれかの形状を備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のテラヘルツ波デバイス。
  14. 前記２次元フォトニック結晶スラブは、半導体材料で形成されたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波デバイス。
  15. 前記半導体材料は、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、さらに、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系若しくはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮ／ＧａＮ系の内、いずれかを適用可能であることを特徴とする請求項１４に記載のテラヘルツ波デバイス。
  16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のテラヘルツ波デバイスを備えることを特徴とするテラヘルツ波集積回路。
  17. 前記テラヘルツ波デバイスは、テラヘルツ波受信器、テラヘルツ波送信器、若しくはテラヘルツ波送受信器のいずれかを備えることを特徴とする請求項１６に記載のテラヘルツ波集積回路。
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