JP6697130B2 - テラヘルツトランシーバ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１，１３および１８に係るテラヘルツトランシーバに関する。

テラヘルツシステム、すなわち、例えば０．１から１０ＴＨｚの領域の電磁放射線を放射するシステムは、研究だけでなく、産業的用途に用いるためにコンパクトで安定な測定システムになっている。これらのシステムは、例えば、光伝導性のテラヘルツアンテナ（ＰＣＡ）、すなわち、（通常、複数の光伝導層を備える）光伝導体に配置されたアンテナ構造を備え、テラヘルツ送信機または受信機の光伝導層は、例えば、１ピコ秒未満の再結合時間を有する。テラヘルツ送信機では、パルスレーザ（例えば、ピコ秒レーザまたはフェムト秒レーザ）の光パルスが光伝導層の一時的な超短伝導性を生じさせ、これら光伝導層は、外部電圧が印加されると、対応して短く強い電流パルスを発生させる。これらの電流パルス（すなわち、加速された電荷キャリア）が、テラヘルツ周波数領域の電磁波を放射する。

テラヘルツ受信機では、電磁テラヘルツパルスが光伝導体において電圧を誘起し、これら電圧は、同時にフェムト秒光パルス（プローブパルス）が光伝導層において伝導性を生じさせた場合にのみ、電流を発生させる。受信したテラヘルツパルスと光プローブパルスの間の時間的なずれにより、テラヘルツ送信機によって発せられるテラヘルツ信号は、コヒーレントに検出することが可能であり、つまり、振幅情報および位相情報の両方を含む信号を発生させることができる。測定されたテラヘルツ放射のフーリエ変換により、周波数スペクトルを得ることができる。

近年、固定されたレーザと、ファイバ結合型の可動な送信モジュールおよび可動な受信モジュールとを有するテラヘルツシステムが、ＴＨｚ分光装置において標準的になってきた。ただし、この分野における多くの産業的用途においては非破壊試験が好まれ、インラインプロセスモニタリングでは、試験される試料の一方側にしかアクセスすることができない。したがって、反射配置の測定が必要とされている。このような測定では、放射されたＴＨｚ放射が試料表面から送信機の方向またはその近くに反射される。別個の送信機および検出装置を用いるＴＨｚ反射測定は、一般的に複数の光学素子を必要とするので、コストが高く、セットアップが複雑となる。さらに、垂直に近い入射での測定であれば、発信されて反射されたＴＨｚビームに対して同一の光学素子を用いることができ、小さい観察窓を介した測定が可能となるであろう。したがって、テラヘルツ送信機とテラヘルツ受信機とを近接して備える装置が求められている。

テラヘルツトランシーバ（すなわち、テラヘルツ送信機とテラヘルツ受信機とを備える装置）は、例えば、非特許文献１に開示されている。テラヘルツ送信機およびテラヘルツ受信機はいずれも、「Ｈ」字形の光伝導性のアンテナ、すなわち、（実際のアンテナを構成する）水平方向のダイポール部に接続された２つの垂直方向の給電線を有するアンテナを備える。アンテナが対称的なＨ字形の構成を有するため、反対方向の電流に起因する放射は、アンテナ平面に対して垂直な遠方界において相殺される。さらに、給電線の端部における反射が観測窓の外に移動する可能性があるので、給電線の長さは数ｍｍが好適である。テラヘルツ送信機のアンテナとテラヘルツ受信機のアンテナは、給電線に対して垂直な方向において互いに隣接して配置される。送信アンテナは、物体に対してテラヘルツ放射を照射するために使用され、受信アンテナは、物体によって反射されたテラヘルツ放射を検出するために使用される。ＰＣＡは、テラヘルツ放射を自由空間に結合し、かつ自由空間をテラヘルツ放射に結合するために、シリコンレンズに取り付けられる。ここで、前方向および後方向のテラヘルツビームに対して同一の光学部品が使用される。そのため、これらのアンテナは、互いに対して可能な限り近くに配置する必要がある。しかしながら、このような配置は、２つのアンテナ間にクロストーク（特に、テラヘルツ放射に対するクロストークおよび／またはアンテナにおける電流によって誘起されるクロストーク）を生じさせる。アンテナ信号を分離するために機械式のチョッパが使用され、これらのアンテナ信号はロックイン方式を用いて検出される。しかしながら、ロックイン方式を用いたとしても、信号の質が十分でないことが多い。

H. S. Bark, Y. B. Ji, S. J. Oh, S. K. Noh, T. I. Jeon, "Optical fiber coupled THz transceiver（光ファイバが結合したテラヘルツトランシーバ）", Proc. 40th International Conference on Infrared Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2015

本発明の課題は、テラヘルツトランシーバの送信アンテナと受信アンテナの間のクロストークを低減することである。

本発明によれば、
− 第１のアンテナと第２のアンテナを少なくとも備え、
− 前記第１のアンテナと前記第２のアンテナのいずれか一方または両方が、ダイポール部を備えるダイポールアンテナであり、
− 前記ダイポール部はギャップを有し、このギャップを介して光伝導性材料に光を照射するものであり、
− 前記ダイポール部の第１の終端が第１給電線に接続されており、前記ダイポール部の第２の終端が第２給電線に接続されており、前記第１および第２の給電線は前記ダイポール部に対してある角度をなして（例えば、垂直に）延びており、
− 前記第１のアンテナと前記第２のアンテナのいずれか一方または両方は非対称な設計（asymmetric design）であり、前記ダイポール部の一方側において延びる少なくとも１つの前記給電線の第１部分が、前記ダイポール部の他方側において延びる当該少なくとも１つの給電線の第２部分よりも長く、かつ／または、少なくとも１つの前記給電線が前記ダイポール部の一方側においてのみ延びている、テラヘルツトランシーバが提供される。

このため、前記第１および第２の（光伝導性）アンテナは、いずれも従来のＨ字形ではない。むしろ、前記給電線の部分であって、前記水平方向のダイポール部の一方側における部分（または２つの給電線の部分）は、前記給電線の部分であって、前記ダイポール部の他方側における部分よりも短く、または、前記アンテナは、前記ダイポール部の一方側においてのみ延びる給電線（または、例えば２つの給電線）を備える（これにより、Ｈ字形のアンテナではなく、Ｕ字型のアンテナがもたらされてもよい）。例えば、前記第１部分の長さは、前記少なくとも１つの給電線の前記第２部分の長さの少なくとも２倍、少なくとも３倍、または少なくとも５倍である。なお、前記アンテナの前記第１部分および前記第２部分は、前記ダイポール部に直交する方向において互いに反対側である、前記ダイポール部の互いに異なる側に延びている。前記ダイポール部は、前記ギャップに隣接する第１および第２の電気伝導性材料の（例えば金属製および／またはストリップ状）部分を含んでいてもよい（または、この部分から構成されてもよい）。

アンテナの前記非対称な設計は、単一のアンテナを最適化するために用いられる従来のルールとは異なっているかもしれない。しかし、最適化設計ルールから逸脱することで、近接するアンテナ間のクロストークを低減することができるので、従来の最適化設計ルールからの逸脱が容認できる。前記２つのアンテナの少なくとも一方に非対称なアンテナ設計を用いることにより、前記アンテナを近接して配置して、テラヘルツ放射の送信および受信に同一の光学部品を使用し、アンテナ間のクロストークを低減することが可能である。さらに、クロストークが低減されるため、より小さい光学部品を使用してもよく、テラヘルツ放射を速やかに、かつ例えばロックインセットアップを使用せずに検出することができる。前記アンテナは、前記光伝導性材料に電気的に接続された電気伝導性（例えば、金属製）の構造によって実現されてもよい。例えば、前記ダイポール部の前記第１および第２部分は、前記光伝導性材料に接続され、前記ダイポール部の前記第１および第２部分は、前記光伝導性材料に側方から（側面で）隣接していてもよく、かつ／または、少なくとも部分的に前記光伝導性材料に配置されていてもよい。

例えば、前記第１および第２のアンテナはいずれも非対称な設計であり、前記第１のアンテナの前記給電線の前記長い部分または前記給電線全体が、前記第２のアンテナの前記給電線の長い部分または前記給電線全体とは反対方向を向くように、前記アンテナが配置されている。換言すれば、前記アンテナ同士の前記給電線は反対方向を向いており、これにより、前記アンテナの給電線と平行な方向にこれらアンテナが互いにずれて（例えば、一方が少なくとも部分的に他方の下にあるように）配置することができる。そのため、前記２つのアンテナの前記アンテナアームの間にショートカットを生じさせることなく、かつ、前記給電線の間において一定の距離を管理することなく、前記２つのアンテナの前記励起点を互いに可能な限り近づけて、給電線間のクロストークを低減することができる。特に、前記第１および第２のアンテナは、少なくとも部分的に、前記給電線に対して平行に（前記アンテナのダイポール部に対して垂直に）延びて一列に配置されてもよい（例えば、上述したように、一方が少なくとも部分的に他方の下にある）。

本発明は、さらに、第１のアンテナと第２のアンテナのいずれか一方または両方を備えるテラヘルツトランシーバであって、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナのいずれか一方または両方は、２つの平行なストリップラインのみから構成されるテラヘルツストリップラインアンテナであり、前記ストリップラインは、光伝導性材料に電気的に接続されているテラヘルツトランシーバに関する。例えば、前記ストリップラインは、少なくとも部分的に前記光伝導性材料に配置されており、かつ／または、前記光伝導性材料に側方から隣接している。この種類のテラヘルツアンテナは、前記ダイポール部の前記ギャップを前記給電線の間の距離と等しくなるまで拡大することによって、上記のテラヘルツダイポールアンテナから得られると考えることができる。そのため、前記テラヘルツストリップラインアンテナを、前記ダイポール部が前記給電線の間の前記光伝導性材料のみによってもたらされる変形テラヘルツダイポールアンテナとして考えてもよい。

当然ながら、前記２つのアンテナのうちの一方のみをストリップラインアンテナとし、他方のアンテナを異なる形式のアンテナ、特に、上記のダイポールアンテナとすることも可能である。

本発明に係るテラヘルツトランシーバの前記アンテナの一方は送信アンテナであってもよく、他方のアンテナは受信アンテナであってもよい。

前記第１および第２のアンテナは、共通の基板（例えば、リン化インジウム基板）にモノリシックに集積化されていてもよい。

また、前記第１のアンテナの励起領域と前記第２のアンテナの励起領域の間の距離は、１００μｍ未満，５０μｍ未満、または２５μｍ未満である。

本発明は、また、第１のアンテナと第２のアンテナのいずれか一方または両方を備えるテラヘルツトランシーバ（特に、上記のように構成されたテラヘルツトランシーバ）に関し、前記テラヘルツトランシーバが、第１の光ファイバからの光を前記第１のアンテナの励起領域に結合し、かつ、第２の光ファイバからの光を前記第２のアンテナの励起領域に結合するように構成された結合要素を備える。

例えば、前記結合要素は、前記第１の光ファイバからの光を前記第１のアンテナの前記励起領域に向かって案内する第１の集積型光導波路と、前記第２の光ファイバからの光を前記第２のアンテナの前記励起領域に向かって案内する第２の集積型光導波路とを備える。前記結合要素は、導波路チップ（例えば、ＳＯＩまたはポリマーチップ）を用いて実現されてもよい。

さらに、前記結合要素は、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナの前記励起点に対する前記結合要素の位置が、少なくとも基本的に一定であるように取りつけられてもよい。例えば、前記結合要素は、前記アンテナおよび／または前記アンテナが配置される基板に、例えば接着剤を用いて固定されている。

本発明に係るテラヘルツトランシーバは、さらに、前記アンテナの一方が発するテラヘルツ放射を物体に投影し、かつ、前記物体で反射されたテラヘルツ放射を前記アンテナの他方に投影する光学装置を備えていてもよい。特に、前記光学装置は、（例えば、シリコン製の）少なくとも１つのレンズを備える。さらに、前記アンテナ基板の裏側は、このレンズの（例えば、平坦な）後面に取り付けられてもよい。これにより、前記テラヘルツ放射を自由空間に結合すること、および、自由空間からの前記テラヘルツ放射を前記アンテナに結合することが支援される。

前記送信アンテナおよび前記受信アンテナを、同一の基板（チップ）において近接させてかつモノリシックに集積化して配置すると、前記送信機が発生する電流に起因する電気的なクロストークが、この共通の基板によって、前記受信機に影響を与える可能性がある。

本発明の他の実施形態によると、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間の領域には、光伝導性材料が存在しない。これにより、前記送信機が発生する電流に起因し、かつ（送信アンテナおよび受信アンテナが近接して同一の基板に配置されている場合）この共通の基板を介して前記受信機に影響を与え得る電気的なクロストークを低減することができる。例えば、この光伝導性材料は、前記第１および第２のアンテナの間において少なくとも部分的に取り除かれている。

例えば、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナのいずれか一方または両方の励起領域は、光伝導性のメサ構造によって形成されている。この構成は、ダイポールアンテナおよびストリップラインアンテナに用いられてもよい。なお、テラヘルツダイポールアンテナの「励起領域」は、光放射によって光伝導性材料が励起されるダイポール部のギャップの領域である。上記のストリップラインアンテナについては、前記励起領域は前記２つのストリップラインの間に位置している。

前記光伝導性材料は、例えば複数のエピタキシャル層を備え、これらエピタキシャル層は、（例えば、Ｂｅや、Ｆｅのような遷移元素をドープした）ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ、および／またはＩｎＡｌＡｓ等からなり、かつ、例えば、分離基板または半分離基板（リン化インジウム基板など）に配置されている。

本発明は、また、上述のテラヘルツトランシーバと、光パルス（例えば、ピコ秒もしくはフェムト秒パルス）または連続光ビート信号であって、前記第１および第２のアンテナの前記励起領域に放射される光パルスまたは連続光ビート信号を発生させるように構成された光源とを備えるテラヘルツトランシーバ装置に関する。発生される前記光パルスまたは前記光ビート信号の波長は、１０００ｎｍから１７００ｎｍの間、１２５０ｎｍから１３５０ｎｍの間、または１５００ｎｍから１６５０ｎｍの間であってもよい。

前記テラヘルツトランシーバ装置は、さらに、受信アンテナとして作動する、前記アンテナの一方の信号を評価する評価装置を備えていてもよく、前記評価装置は、ロックイン方式を用いずに、アンテナ信号を評価するように構成されている。

さらに、前記テラヘルツトランシーバ装置は、上記の結合要素を有するトランシーバを含んでもよく、前記第１および第２の光導波路は、この結合要素に固定されていてもよい。

以下において、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

先行技術のテラヘルツトランシーバの上面図である。 本発明の第１実施形態に係るテラヘルツトランシーバである。 本発明の第２実施形態に係るテラヘルツトランシーバである。 本発明の第３実施形態に係るテラヘルツトランシーバである。 本発明の第４実施形態に係るテラヘルツトランシーバである。 本発明の第６実施形態に係るテラヘルツトランシーバである。 本発明の一実施形態に係るテラヘルツトランシーバを備えるテラヘルツトランシーバ装置の概略図である。

図１に示される先行技術のトランシーバ１０は、Ｈ字形の送信アンテナ２０の形態の第１のアンテナと、同様にＨ字形の受信アンテナ３０の形態の第２のアンテナとを備える。これらの送信・受信アンテナ２０，３０はいずれも、光伝導層１４上に配置されており、光伝導層１４は基板１３上に配置されている。基板１３は、送信および受信アンテナ２０，３０の両方を支持している。

これらアンテナ２０，３０は（図１において水平方向を向く）ダイポール部２００，３００をそれぞれ備え、ダイポール部２００は２つの金属製のストリップ状部分２２０，２２１を有し，ダイポール部３００は２つの金属製のストリップ状部分３２０，３２１を有する。ストリップ状部分２２０，２２１はダイポール部２００の光伝導性ギャップ２２２と隣接し，ストリップ状部分３２０，３２１はダイポール部３００の光伝導性ギャップ３２２と隣接している。

また、（図１において垂直方向を向く）給電線２０１ａ，２０１ｂがダイポール部（送信アンテナ２０）に電圧を印加するためにダイポール部２００の金属部分２２０，２２１の終端に連結され、（図１において垂直方向を向く）給電線３０１ａ，３０１ｂがダイポール部（送信アンテナ２０）に電圧を印加するためにダイポール部（受信アンテナ３０）における電圧を検出するためにダイポール部３００の金属部分３２０，３２１の終端に連結されている。ダイポール部２００，３００の長さは、１００μｍ未満であってもよい。給電線２０１ａ，２０１ｂおよび給電線３０１ａ，３０１ｂはそれぞれダイポール部２００，３００の両側を延びている。ここで、アンテナ２０，３０は、アンテナ２０，３０の励起領域２０２，３０２の間の距離が小さくなるように互いに近接して配置されている。よって、送信アンテナ２０の給電線２０１ｂは、その長さ全体（通常、数ｍｍ）にわたって、受信アンテナ３０の給電線３０１ａの近傍に位置しており、これにより、アンテナ２０，３０の間において（図１において矢印ＣＴで示されるように）顕著なクロストークを生じさせる。

図２は、本発明の一実施形態に係るテラヘルツトランシーバ１の上面図である。テラヘルツトランシーバ１は、送信部１１と、受信部１２とを備える。送信部１１は送信アンテナ１１１を備え、受信部１２は受信アンテナ１１２を備え、これら送信および受信アンテナ１１１，１１２は、共通の基板１３に配置されている。より具体的には、アンテナ１１１，１１２は、基板１３に設けられた光伝導層１４に配置されている。

アンテナ１１１，１１２はそれぞれダイポール部１１３，１１４を備える。ダイポール部１１３は、２つの金属製のストリップ状部分１１３０，１１３１によって形成される光伝導性ギャップ１１５を有し、ダイポール部１１４は、２つの金属製のストリップ状部分１１４０，１１４１によって形成される光伝導性ギャップ１１６を有する。ギャップ１１５，１１６は、光伝導層１４に対して光放射（パルス状の光放射または連続ビート信号など）を照射するために使用され、放射された光が、図２において黒丸で示される励起領域１１７，１１８を形成する。

さらに、送信アンテナ１１１は、ダイポール部１１３に電圧を加える第１および第２給電線１１９ａ，１１９ｂを備え、各給電線１１９ａ，１１９ｂは、ダイポール部１１３の前記部分１１３０，１１３１の終端に接続されている。送信アンテナ１１１は非対称な設計であり、給電線１１９ａ，１１９ｂがダイポール部１１３の同一の側を延びており、ダイポール部１１３の他方側においては給電線つまり給電線のいかなる部分も延在していない。このため、送信アンテナ１１１は、先行技術の「Ｈ」字型の形状ではなく「Ｕ」字型の形状を有する。

受信アンテナ１１２は、ダイポール部１１４の前記部分１１４０，１１４１の終端に接続された２つの給電線１２０ａ，１２０ｂを備え、給電線１２０ａ，１２０ｂは、送信アンテナ１１１の給電線１１９ａ，１１９ｂと同様に、ダイポール部１１４の一方側にのみ配置されている。なお、アンテナ１１１，１１２は、必ずしも完全なＵ字型でなくてもよい。むしろ、これらのアンテナは、意図する機能に応じて最適化されてもよい。例えば、受信アンテナにおいて、ダイポール部のギャップ１１６は、光ビームがこのギャップのほとんどの部分を照らすように設計されてもよい。送信アンテナにおいて、光伝導性ギャップを大きくして、より大きな電圧をダイポール部に印加し、電荷キャリアためにより長い加速路を提供してもよい。

アンテナ１１１，１１２は、送信アンテナ１１１の給電線１１９ａ，１１９ｂが、受信アンテナ１２とは反対方向を向くように配置されている。さらに、アンテナ１１１，１１２は、垂直方向（給電線と並行な方向）および水平方向（給電線に直交する方向）の両方に対してずらして配置されていることにより、送信アンテナ１１１の給電線１１９ａ，１１９ｂと受信アンテナ１１２の給電線１２０ａ，１２０ｂの間の距離が大きくなるので、これらの給電線の間のクロストークが低減され、それによってアンテナ１１１，１１２間のクロストークが低減される。

図３には、アンテナ１１１，１１２の考え得る別の配置が示されている。この構成によれば、アンテナ１１１，１１２は、垂直方向に（すなわち、給電線１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂと平行な方向に）一列に配置されている。つまり、アンテナ１１１，１１２は、水平方向においてアンテナ１１１，１１２の間にずれがないか、または少なくとも僅かなずれしかないように配置されている。例えば、アンテナ１１１，１１２は、送信アンテナ１１１の給電線１１９ａ，１１９ｂが受信アンテナ１１２の給電線１２０ａ，１２０ｂと一直線に並ぶように配置されている。この構成を用いることで、物体に対してほとんど垂直（照射された放射と反射される放射との間の角度はゼロに近い）に、テラヘルツ放射が物体へと放射されるように、励起領域１１７，１１８間の距離を大幅に抑えることができる。

図４には、本発明のさらに別の実施形態に係るテラヘルツトランシーバ１が示されている。図４によると、受信アンテナ１１２のみがダイポールアンテナとして形成されている。すなわち、受信アンテナ１１２のみが、ダイポール部１１４と、このダイポール部１１４に接続された給電線１２０ａ，１２０ｂとを備えるアンテナである。一方、送信アンテナは、２つの平行なストリップライン１２５ａ，１２５ｂのみを有するストリップラインアンテナ１１０である。ストリップライン１２５ａ，１２５ｂは、励起領域１２６（すなわち、ストリップライン１２５ａ，１２５ｂの間のギャップ）を画定している。特に、アンテナ構造は、２つの平行なストリップライン１２５ａ，１２５ｂのみによって形成されている。図１から図３と同様に、アンテナ１１０，１１２は、共通の基板１３（すなわち、光伝導層１４を備える連続的な光伝導体）に配置されている。

さらに、アンテナ１１０，１１２は、互いに真上または真下に配置されている。つまり、アンテナ１１０，１１２には水平方向のずれがない。しかしながら、当然、アンテナ１１０，１１２は、図２と同様に、水平方向において少なくとも僅かに変位していてもよい。

図５には、図４の変形例が示されており、光伝導層１４のないトレンチ１２７がアンテナ１１０，１１２の間に形成されるように、アンテナ１１０，１１２の間において光伝導層１４が取り除かれている。トレンチ１２７はアンテナ１１０，１１２の間を電気的に絶縁する。基板１３は、基板１３を介して顕著な電流が生じないように、高い抵抗を有していてもよい。また、光伝導層１４を取り除く領域を大きくすることも可能である。例えば、光伝導層１４は、アンテナ１１０，１１２の励起領域１２６，１１６においてのみ維持される。これにより、励起領域１２６，１１６は光伝導性の（例えば、ストリップ状の）メサ構造１２８，１２９（図６を参照）を有する。図６によると、ストリップライン１２５ａ，１２５ｂは光伝導性のメサ構造１２８の側方に隣接しており、ダイポールアンテナ１２のダイポール部１１４の金属部分１１４０，１１４１が、このメサ構造１２９に隣接している。

当然ながら、図５および図６の実施形態は、２つのダイポールアンテナを使用して、かつ／または、さらに水平方向にアンテナをずらして配置することによって、実現されることも可能である。

図７には、本発明の実施形態に係るトランシーバ１を備えるトランシーバ装置１００が概略的に示されている。例えば、トランシーバ１は、図１から図６のトランシーバの構成要素を備える。つまり、トランシーバ１は、送信部１１と受信部１２とを備え、送信部１１は送信アンテナ１１１を有し、受信部１２は受信アンテナ１１２を有する。アンテナ１１１，１１２は、基板１３に設けられた光伝導層１４に配置されている。

トランシーバ装置１００は、第１および第２の光ファイバ２１，２２をさらに備える。第１の光ファイバ２１は、送信アンテナ１１１の励起領域１１７に向かって（例えば、パルスレーザが発生する光パルス２０１の形態の）光を案内するように構成されて配置されている。第２の光ファイバ２２は、受信アンテナ１１２の励起領域１１８に向かって光パルス２０２を案内するように構成されて使用される。パルス２０２の時間的位置に対するパルス２０１の時間的位置は、受信アンテナ１１２を使用して検出されるテラヘルツ放射を走査するために、変化させられてもよい。例えば、受信アンテナ１１２に送られるパルス２０２の時間位置は（図７において破線のパルス形状で示されるように）変化する。

光ファイバ２１，２２は結合要素４に接続されており、結合要素４は、第１および第２の集積型光導波路４１，４２を備える。パルス２０１は第１の光ファイバ２１から第１の集積型光導波路４１に連結され、集積型光導波路４１は、送信アンテナ１１１の励起領域１１７に向かってパルス２０１を案内するように形成されている。第２の集積型光導波路４２は、受信アンテナ１１２の励起領域１１８に向かって光パルス２０２を運ぶ。例えば、光ファイバ２１，２２は、一例として接着によって、結合要素４に接続されている。さらに、第１および第２の集積型光導波路４１，４２は、逆方向に広がる湾曲部４１１，４２１を有し、そのため、集積型導波路４１，４２の入力端部４１２，４２２の間の距離が、出力端部４１３，４２３の間の距離よりも大きくなっている。これにより、（例えば、直径が少なくとも１２５μｍの）光ファイバ２１，２２を結合要素４の前側に接続することができる。結合要素４（例えば、ＳＯＩまたはポリマーチップ）は、（基板１３と、光伝導層１４と、アンテナ１１１，１１２とを備える）アンテナチップに対して揃えられて固定されている。トランシーバ１は、保護ハウジング（図示せず）内に配置されてもよい。

また、トランシーバ装置１００は、基板１３の裏側（すなわち、アンテナ１１１，１１２とは反対方向に面する側）に隣接して配置された第１光学レンズ３１を有する光学装置３を備える。レンズ３１は、シリコンを含んでいてもよく、シリコンから構成されてもよい。さらに、光学装置３は、図７においてレンズ３２で表されるテラヘルツ光学装置を備えていてもよい。このテラヘルツ光学装置は、レンズ３２に対して代替的または付加的に、他のレンズやミラーなどを備えていてもよい。光学装置３は、送信アンテナ１１１が発するテラヘルツ放射ＴＲ１を物体Ｏに照射するために、かつ、物体Ｏから反射されるテラヘルツ放射ＴＲ２を受信アンテナ１１２に向かって照射するために使用される。反射されるテラヘルツ放射は、評価部５に入力される受信アンテナ１１２の出力信号を用いて、評価部５によって直接検出される。より具体的には、テラヘルツ放射の検出は、ロックイン方式を使用せずに行われてもよく、これにより、テラヘルツ放射ＴＲ１，ＴＲ２のビーム経路に機械式チョッパを設ける必要がなくなる。
なお、本発明は、実施の態様として以下の内容を含む。
〔態様１〕
− 第１のアンテナ（１１１）と第２のアンテナ（１１２）を少なくとも備え、
− 前記第１のアンテナ（１１１）と前記第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方が、ダイポール部（１１３，１１４）を備えるダイポールアンテナであり、
− 前記ダイポール部（１１３，１１４）はギャップ（１１５，１１６）を有し、このギャップを介して光伝導性材料に光を照射するものであり、
− 前記ダイポール部（１１３，１１４）の第１の終端が第１の給電線（１１９ａ，１２０ａ）に接続されており、前記ダイポール部（１１３，１１４）の第２の終端が第２の給電線（１１９ｂ，１２０ｂ）に接続されており、前記第１および第２の給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）は前記ダイポール部（１１３，１１４）に対してある角度をなして延びているテラヘルツトランシーバにおいて、
− 前記第１のアンテナ（１１１）と前記第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方は非対称な設計であり、前記ダイポール部（１１３，１１４）の一方側において延びる少なくとも１つの前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）の第１部分が、前記ダイポール部（１１３，１１４）の他方側において延びる前記少なくとも１つの給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）の第２部分よりも長く、かつ／または、少なくとも１つの前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）が前記ダイポール部（１１３，１１４）の一方側においてのみ延びていることを特徴とするテラヘルツトランシーバ。
〔態様２〕
態様１に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１部分の長さは、前記少なくとも１つの給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）の前記第２部分の長さの少なくとも２倍、少なくとも３倍、または少なくとも５倍であるテラヘルツトランシーバ。
〔態様３〕
態様１または２に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記ダイポール部（１１３，１１４）は、前記ギャップ（１１５，１１６）に隣接する第１および第２の電気伝導性材料の部分（１１３０，１１３１，１１４０，１１４１）を含むテラヘルツトランシーバ。
〔態様４〕
態様１から３のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）はいずれも非対称な設計であり、前記少なくとも１つの給電線の前記長い部分または前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ）全体が、前記第２のアンテナ（１１２）の前記給電線の長い部分または前記給電線（１２０ａ，１２０ｂ）全体とは反対方向を向くように、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）が配置されているテラヘルツトランシーバ。
〔態様５〕
態様１から４のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）は、前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）と平行な方向に互いにずれているテラヘルツトランシーバ。
〔態様６〕
態様１から５のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）は、少なくとも部分的に、前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）に対して平行に延びて一列に配置されているテラヘルツトランシーバ。
〔態様７〕
態様１から６のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）は、共通の基板（１３）にモノリシックに集積化されているテラヘルツトランシーバ。
〔態様８〕
態様１から７のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１のアンテナ（１１１）の励起領域（１１７）と前記第２のアンテナ（１１２）の励起領域（１１８）の間の距離は、１００μｍ未満，５０μｍ未満、または２５μｍ未満であるテラヘルツトランシーバ。
〔態様９〕
態様１から８のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）は、少なくとも部分的に前記光伝導性材料（１４）に配置されており、かつ／または、前記光伝導性材料（１４）に側方から隣接しており、前記第１および第２のアンテナの間の領域（１２７）には、前記光伝導性材料（１４）が存在しないテラヘルツトランシーバ。
〔態様１０〕
態様９に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記領域（１２７）は、電気的な絶縁トレンチを形成しているテラヘルツトランシーバ。
〔態様１１〕
態様１から１０のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）のいずれか一方または両方の前記励起領域（１１７，１１８）は、光伝導性のメサ構造（１２８，１２９）を有するテラヘルツトランシーバ。
〔態様１２〕
態様１から１１のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）は、少なくとも部分的に光伝導性材料（１４）に配置されており、前記光伝導性材料（１４）は、ＩｎＧａＡｓエピタキシャル層，ＩｎＧａＡｓＰエピタキシャル層、および／またはＩｎＡｌＡｓエピタキシャル層を備えるテラヘルツトランシーバ。
〔態様１３〕
第１のアンテナ（１１１）と第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方を備えるテラヘルツトランシーバ（特に、態様１から１２のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバ）であって、
第１の光ファイバ（２１）からの光を前記第１のアンテナ（１１１）の励起領域（１１７）に結合し、かつ、第２の光ファイバ（２２）からの光を前記第２のアンテナ（１１２）の励起領域（１１８）に結合するように構成された結合要素（４）を備えることを特徴とするテラヘルツトランシーバ。
〔態様１４〕
態様１３に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記結合要素（４）が、前記第１の光ファイバ（２１）からの光を前記第１のアンテナ（１１１）の前記励起領域（１１７）に向かって案内する第１の集積型光導波路（４１）と、前記第２の光ファイバ（２２）からの光を前記第２のアンテナ（１１２）の前記励起領域（１１８）に向かって案内する第２の集積型光導波路（４２）とを備えるテラヘルツトランシーバ。
〔態様１５〕
態様１３または１４に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記結合要素（４）は、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）の前記励起点（１１７，１１８）に対する前記結合要素（４）の位置が、少なくとも実質的に一定であるように取り付けられているテラヘルツトランシーバ。
〔態様１６〕
態様１３から１５のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記結合要素（４）は、少なくとも部分的に、ＩｎＰ，シリコン、またはポリマーから作製されているテラヘルツトランシーバ。
〔態様１７〕
態様１３から１６のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバ装置において、前記第１および第２の光ファイバ（２１，２２）は、前記結合要素（４）に固定されているテラヘルツトランシーバ装置。
〔態様１８〕
第１のアンテナ（１１０）と第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方を備えるテラヘルツトランシーバ（特に、態様１から１７のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバ）であって、
前記第１のアンテナ（１１０）と前記第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方は、２つの平行なストリップライン（１２５ａ，１２５ｂ）のみから構成されるテラヘルツストリップラインアンテナであり、前記ストリップライン（１２５ａ，１２５ｂ）は、光伝導性材料に電気的に接続されているテラヘルツトランシーバ。
〔態様１９〕
態様１から１７のいずれか一態様に従属する態様１８に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記アンテナの一方（１１２）が非対称なダイポールアンテナであり、前記アンテナの他方（１１０）がストリップラインアンテナであるテラヘルツトランシーバ。
〔態様２０〕
態様１から１９のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、さらに、前記アンテナ（１１１，１１２）の一方が発するテラヘルツ放射を物体（Ｏ）に投影し、かつ、前記物体（Ｏ）で反射されたテラヘルツ放射を前記アンテナ（１１１，１１２）の他方に投影する光学装置（３）を備えるテラヘルツトランシーバ。
〔態様２１〕
態様１から２０のいずれか一態様に記載のテラヘルツトランシーバと、
光パルス（２０１，２０２）または連続光ビート信号であって、前記第１および第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）の前記励起領域（１１７，１２８，１２６）に放射される光パルス（２０１，２０２）または連続光ビート信号を発生させるように構成された光源とを備えるテラヘルツトランシーバ装置。
〔態様２２〕
態様２１に記載のテラヘルツトランシーバ装置において、発生される前記光パルス（２０１，２０２）または前記光ビート信号の波長が、１０００ｎｍから１７００ｎｍの間、１２５０ｎｍから１３５０ｎｍの間、または１５００ｎｍから１６５０ｎｍの間であるテラヘルツトランシーバ装置。
〔態様２３〕
態様２２に記載のテラヘルツトランシーバ装置において、さらに、受信アンテナとして作動する、前記アンテナの一方（１１２）の信号を評価する評価装置（５）を備え、前記評価装置（５）は、ロックイン方式を用いずに、アンテナ信号を評価するように構成されているテラヘルツトランシーバ装置。

Claims (23)

1. − 第１のアンテナ（１１１）と第２のアンテナ（１１２）を少なくとも備え、
   − 前記第１のアンテナ（１１１）と前記第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方が、ダイポール部（１１３，１１４）を備えるダイポールアンテナであり、
   − 前記ダイポール部（１１３，１１４）はギャップ（１１５，１１６）を有し、このギャップを介して光伝導性材料に光を照射するものであり、
   − 前記ダイポール部（１１３，１１４）の第１の終端が第１の給電線（１１９ａ，１２０ａ）に接続されており、前記ダイポール部（１１３，１１４）の第２の終端が第２の給電線（１１９ｂ，１２０ｂ）に接続されており、前記第１および第２の給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）は前記ダイポール部（１１３，１１４）に対してある角度をなして延びているテラヘルツトランシーバにおいて、
   − 前記第１のアンテナ（１１１）と前記第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方は非対称な設計であり、前記ダイポール部（１１３，１１４）の一方側において延びる少なくとも１つの前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）の第１部分が、前記ダイポール部（１１３，１１４）の他方側において延びる前記少なくとも１つの給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）の第２部分よりも長く、かつ／または、少なくとも１つの前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）が前記ダイポール部（１１３，１１４）の一方側においてのみ延びていることを特徴とするテラヘルツトランシーバ。
2. 請求項１に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１部分の長さは、前記少なくとも１つの給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）の前記第２部分の長さの少なくとも２倍、少なくとも３倍、または少なくとも５倍であるテラヘルツトランシーバ。
3. 請求項１または２に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記ダイポール部（１１３，１１４）は、前記ギャップ（１１５，１１６）に隣接する第１および第２の電気伝導性材料の部分（１１３０，１１３１，１１４０，１１４１）を含むテラヘルツトランシーバ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）はいずれも非対称な設計であり、前記少なくとも１つの給電線の前記長い部分または前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ）全体が、前記第２のアンテナ（１１２）の前記給電線の長い部分または前記給電線（１２０ａ，１２０ｂ）全体とは反対方向を向くように、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）が配置されているテラヘルツトランシーバ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）は、前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）と平行な方向に互いにずれているテラヘルツトランシーバ。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）は、少なくとも部分的に、前記給電線（１１９ａ，１１９ｂ，１２０ａ，１２０ｂ）に対して平行に延びて一列に配置されているテラヘルツトランシーバ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）は、共通の基板（１３）にモノリシックに集積化されているテラヘルツトランシーバ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１のアンテナ（１１１）の励起領域（１１７）と前記第２のアンテナ（１１２）の励起領域（１１８）の間の距離は、１００μｍ未満，５０μｍ未満、または２５μｍ未満であるテラヘルツトランシーバ。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）は、少なくとも部分的に前記光伝導性材料（１４）に配置されており、かつ／または、前記光伝導性材料（１４）に側方から隣接しており、前記第１および第２のアンテナの間の領域（１２７）には、前記光伝導性材料（１４）が存在しないテラヘルツトランシーバ。
10. 請求項９に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記領域（１２７）は、電気的な絶縁トレンチを形成しているテラヘルツトランシーバ。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）のいずれか一方または両方の前記励起領域（１１７，１１８）は、光伝導性のメサ構造（１２８，１２９）を有するテラヘルツトランシーバ。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記第１および第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）は、少なくとも部分的に光伝導性材料（１４）に配置されており、前記光伝導性材料（１４）は、ＩｎＧａＡｓエピタキシャル層，ＩｎＧａＡｓＰエピタキシャル層、および／またはＩｎＡｌＡｓエピタキシャル層を備えるテラヘルツトランシーバ。
13. 第１のアンテナ（１１１）と第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方を備えるテラヘルツトランシーバ（特に、請求項１から１２のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバ）であって、
    第１の光ファイバ（２１）からの光を前記第１のアンテナ（１１１）の励起領域（１１７）に結合し、かつ、第２の光ファイバ（２２）からの光を前記第２のアンテナ（１１２）の励起領域（１１８）に結合するように構成された結合要素（４）を備えることを特徴とするテラヘルツトランシーバ。
14. 請求項１３に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記結合要素（４）が、前記第１の光ファイバ（２１）からの光を前記第１のアンテナ（１１１）の前記励起領域（１１７）に向かって案内する第１の集積型光導波路（４１）と、前記第２の光ファイバ（２２）からの光を前記第２のアンテナ（１１２）の前記励起領域（１１８）に向かって案内する第２の集積型光導波路（４２）とを備えるテラヘルツトランシーバ。
15. 請求項１３または１４に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記結合要素（４）は、前記第１および第２のアンテナ（１１１，１１２）の前記励起点（１１７，１１８）に対する前記結合要素（４）の位置が、少なくとも実質的に一定であるように取り付けられているテラヘルツトランシーバ。
16. 請求項１３から１５のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記結合要素（４）は、少なくとも部分的に、ＩｎＰ，シリコン、またはポリマーから作製されているテラヘルツトランシーバ。
17. 請求項１３から１６のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバ装置において、前記第１および第２の光ファイバ（２１，２２）は、前記結合要素（４）に固定されているテラヘルツトランシーバ装置。
18. 第１のアンテナ（１１０）と第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方を備えるテラヘルツトランシーバ（特に、請求項１から１７のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバ）であって、
    前記第１のアンテナ（１１０）と前記第２のアンテナ（１１２）のいずれか一方または両方は、２つの平行なストリップライン（１２５ａ，１２５ｂ）のみから構成されるテラヘルツストリップラインアンテナであり、前記ストリップライン（１２５ａ，１２５ｂ）は、光伝導性材料に電気的に接続されているテラヘルツトランシーバ。
19. 請求項１から１７のいずれか一項に従属する請求項１８に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、前記アンテナの一方（１１２）が非対称なダイポールアンテナであり、前記アンテナの他方（１１０）がストリップラインアンテナであるテラヘルツトランシーバ。
20. 請求項１から１９のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバにおいて、さらに、前記アンテナ（１１１，１１２）の一方が発するテラヘルツ放射を物体（Ｏ）に投影し、かつ、前記物体（Ｏ）で反射されたテラヘルツ放射を前記アンテナ（１１１，１１２）の他方に投影する光学装置（３）を備えるテラヘルツトランシーバ。
21. 請求項１から２０のいずれか一項に記載のテラヘルツトランシーバと、
    光パルス（２０１，２０２）または連続光ビート信号であって、前記第１および第２のアンテナ（１１０，１１１，１１２）の前記励起領域（１１７，１２８，１２６）に放射される光パルス（２０１，２０２）または連続光ビート信号を発生させるように構成された光源とを備えるテラヘルツトランシーバ装置。
22. 請求項２１に記載のテラヘルツトランシーバ装置において、発生される前記光パルス（２０１，２０２）または前記光ビート信号の波長が、１０００ｎｍから１７００ｎｍの間、１２５０ｎｍから１３５０ｎｍの間、または１５００ｎｍから１６５０ｎｍの間であるテラヘルツトランシーバ装置。
23. 請求項２２に記載のテラヘルツトランシーバ装置において、さらに、受信アンテナとして作動する、前記アンテナの一方（１１２）の信号を評価する評価装置（５）を備え、前記評価装置（５）は、ロックイン方式を用いずに、アンテナ信号を評価するように構成されているテラヘルツトランシーバ装置。

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