JP6719882B2 - 発振素子及びそれを用いた測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、発振素子及びそれを用いた測定装置に関する。

テラヘルツ波は、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下）の周波数領域の電磁波である。テラヘルツ波の周波数領域には、生体材料・医薬品・電子材料などの多くの有機分子について、構造や状態に由来した吸収ピークが存在する。また、テラヘルツ波は、紙・セラミック・樹脂・布といった材料に対して高い透過性を有する。近年、この様なテラヘルツ波の特徴を活かしたイメージング技術やセンシング技術の研究開発が行われている。例えば、Ｘ線装置に代わる安全な透視検査装置や、製造工程におけるインラインの非破壊検査装置などへの応用が期待されている。

このようなテラヘルツ波を発振する発振素子として、半導体量子井戸構造における電子のサブバンド間遷移に基づいた電磁波利得を利用する電流注入型の発振素子がある。低損失の導波路構造として知られるＤｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅ Ｍｅｔａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ（ＤＭＷ）を共振器として集積したテラヘルツ波帯の量子カスケードレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ）又は、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）が提案されている。このような発振素子は、１０μｍ程度の薄さの半導体薄膜からなる利得媒質の上下に金属を配置した導波路構造を有し、この導波路構造に誘導放出されたテラヘルツ波を表面プラズモンモードで導波させて共振させる。このような構成にすることにより、高い光閉じ込めと低損失伝搬により３ＴＨｚ近傍のレーザ発振を達成する。

導波路構造から電磁波を取り出す方法として、特許文献１には、導波路構造の端面に低反射膜を配置して取り出し効率を改善する方法が提案されている。特許文献２には、活性層にＲＴＤを有する導波路構造の端面にパッチアンテナを設置した構造が開示されている。

特開２０１２−１２９４９７号公報 特開２０１４−２０７６５４号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２のそれぞれに記載の構造では、端面反射による損失より導波路損失が大きい導波路において電磁波を取り出す構造から離れた位置で発生した電磁波を取り出せず、発生した電磁波の利用効率が低下することがあった。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、導波路を有する発振素子において、電磁波の利用効率を従来よりも向上することを目的とする。

本発明の一側面としての発振素子は、電磁波を発振する発振素子であって、前記電磁波を共振方向に沿って共振させる導波路構造と、前記電磁波を放射するアンテナ部と、前記導波路構造と前記アンテナ部とを接続している第一の接続部と、前記導波路構造と前記アンテナ部とを接続している第二の接続部と、を有し、前記導波路構造は、第一の導体層と、第二の導体層と、前記第一の導体層と前記第二の導体層との間に配置されている、前記電磁波の利得を有する半導体層と、を有し、前記第一の接続部と前記第二の導体層との第一の接続位置と、前記第二の接続部と前記第二の導体層との第二の接続位置と、は、前記共振方向における位置が異なることを特徴とする。

本発明の一側面としての発振素子によれば、電磁波の利用効率を従来よりも向上することができる。

第１の実施形態の発振素子の構成を説明する上面図。 第１の実施形態の発振素子の構成を説明する断面図。 シミュレーションに用いた発振素子の構成を説明する上面図。 発振素子の最大放射効率のシミュレーション結果を示す図。 実施例１の発振素子の一例の構成を説明する上面図。 実施例２の発振素子の構成を説明する上面図。 実施例３の発振素子の構成を説明する上面図。 第２の実施形態の測定装置の構成を説明するブロック図。 実施例３の発振素子の構成を説明する上面図。

（第１の実施形態）
本実施形態の発振素子１００（以下、「素子１００」と呼ぶ）について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、素子１００の外観を示す上面図、図２は素子１００のＡ−Ａの断面図である。

素子１００は、共振部（導波路構造）１０１と、複数のインピーダンス整合部（接続部）１０２（以下、「整合部１０２」と呼ぶ）と、アンテナ１０３と、を有する。共振部１０１とアンテナ１０３とは複数の整合部１０２を介して接続されている。複数の整合部１０２のそれぞれは、前記共振部１０１の共振方向に異なる位置に接続されている。

なお、本明細書における「共振方向」とは、共振部１０１を共振する電磁波が共振する方向のことで、共振部１０１の導波路構造を電磁波が伝搬する伝搬方向である。具体的には、「共振方向」は、導波路構造の複数の位置のそれぞれにおける導波路構造を伝搬（共振）する電磁波の伝搬方向と垂直な断面の重心を連ねた線である。

共振部１０１は、テラヘルツ波を発生して、発生したテラヘルツ波が共振させる導波路構造である。共振部１０１は、利得構造（半導体層）１０４と、第一の導体層１０５と、第二の導体層１０６と、を有する。利得構造１０４は、第一の導体層１０５と第二の導体層１０６との間に接して配置されている。第一の導体層１０５は、利得構造１０４、複数の整合部１０２、アンテナ１０３における共通の接地導体である。本実施形態の共振部１０１は、直線形状の導波路構造である。

利得構造１０４は、テラヘルツ波を発生する半導体多層膜を含んでおり、テラヘルツ波の周波数領域の利得を有する半導体層である。利得構造１０４は、例えば、負性抵抗を有する共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）又はガンダイオード等を含む。本実施形態の利得構造１０４は、ＲＴＤを用いる。利得構造１０４は、第一の導体層１０５と第二の導体層１０６との間に外部電源からバイアス電圧を印加することで電磁波利得となり、負性抵抗を発生する。

第一の導体層１０５及び第二の導体層１０６のそれぞれは、誘電率実部が負の負誘電率媒質を含む材料を用いて構成する。第一の導体層１０５及び第二の導体層１０６のそれぞれは、金属（Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｕＩｎ合金など）、半金属（Ｂｉ、Ｓｂ、ＩＴＯ、ＥｒＡｓなど）、及び高濃度にドーピングされた半導体等のいずれかを好適に使用できる。また、第一の導体層１０５、第二の導体層１０６として、上述の金属、半金属、高濃度にドーピングされた半導体等を積層したものを用いることもできる。

本実施形態の共振部１０１の導波路構造は、２つのクラッド層の間にコア層を挟んだＤｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅｄ Ｍｅｔａｌ型の導波路（Ｄｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：ＤＭＷ）である。２つのクラッド層は、第一の導体層１０５と利得構造１０４に含まれている高濃度にドーピングされた半導体層との積層膜、及び、第二の導体層１０６と利得構造１０４に含まれている高濃度にドーピングされた半導体層との積層膜である。コア層は、利得構造１０４に含まれているＲＴＤである。

したがって、第一の導体層１０５と第二の導体層１０６との間隔は、共振部１０１で規定される発振波長をλ_ｇとすると、λ_ｇ／２以下、好ましくはλ_ｇ／１０程度まで近接されている。こうして、テラヘルツ波の周波数領域の電磁波は、共振部１０１にて定在波となる。発振波長λ_ｇは、半導体レーザ技術で知られるように、電磁波の共振方向となる共振部１０１の長手方向の長さＬをλ_ｇ／２の整数倍となるように設定することで規定される。

複数の整合部１０２のそれぞれは、共振部１０１とアンテナ１０３とを接続する接続部である。複数の整合部１０２のそれぞれは、共振部１０１とアンテナ１０３とをインピーダンス整合するためのインピーダンス整合回路である。本実施形態の整合部１０２は、第一の導体層１０５、誘電体１０７層、第三の導体層１０８を、この順に積層したマイクロストリップライン（ＭＳＬ）構造である。複数の整合部１０２のそれぞれは、共振部１０１の共振方向に異なる位置に接続されている。

利得構造から発生した電磁波は、導波路構造を伝搬する間に損失される。導波路構造における電磁波の損失は、電磁波が導波路構造を伝搬する距離が長いほど大きくなる。従来の発振素子では、共振部の一端から電磁波を取り出していたため、共振部の他端付近で発生した電磁波の損失が大きかった。それに対し、本実施形態の素子１００は、共振部１０１とアンテナ１０３とを接続する整合部１０２を共振部１０１の共振方向に異なる複数の位置に配置することにより、共振部１０１の各位置で発生した電磁波が導波路内を伝搬する距離を短くする。その結果、導波路構造における電磁波の損失を従来よりも低減して、電磁波の利用効率を向上することができる。

複数の整合部１０２のうち、隣り合う２つの整合部１０２を第一の整合部１０２１、第二の整合部１０２２とする。第一の整合部１０２１と共振部１０１との接続位置から取り出される電磁波の位相と、第二の整合部１０２２と共振部１０１との接続位置から取り出される電磁波の位相とが逆位相だと、アンテナ１０３において電磁波が打ち消し合ってしまう。

そのため、２つの整合部１０２１、１０２２のそれぞれから取り出される電磁波の位相は、同位相に近づけることが望ましい。これを換言すると、第一の整合部１０２１と共振部１０１との第一の接続位置１０４１と第二の整合部１０２２と共振部１０１との第二の接続位置１０４２との共振方向における距離は、ｎλ_ｇに近づけることが望ましい。すなわち、複数の整合部１０２を有する素子１００において、複数の整合部１０２のそれぞれと共振部１０１との接続位置同士の共振方向における距離を、ｎλ_ｇに近づけることが望ましい。

接続位置同士の共振方向における距離がｎλ_ｇの場合に電磁波の利用効率が最大となるが、それに限らず、接続位置同士の共振方向における距離がｎλ_ｇ−λ_ｇ／４より大きくｎλ_ｇ＋λ_ｇ／４未満であればよい。接続位置同士の共振方向における距離がｎλ_ｇ−λ_ｇ／４より大きくｎλ_ｇ＋λ_ｇ／４未満であれば、第１の整合部１０２から取り出される電磁波の位相と、第２の整合部から取り出される電磁波の位相と、の位相差がπ／２未満となる。そのため、整合部を１つだけ有する発振素子３００と比較して電磁波の利用効率を改善することができる。なお、「共振部１０１と整合部１０２との接続位置」は、整合部１０２と共振部１０１とが接続している位置における前記整合部１０２の断面の重心のことである。

また、複数の整合部１０２のそれぞれは、共振方向における共振部１０１で共振する電磁波の電界の節となる位置が、整合部１０２と共振部１０１とが接続している面内に含まれないように配置されることが好ましい。このような構成にすることにより、整合部１０２から電磁波を効率良く取り出すことができる。

アンテナ１０３と整合部１０２との接続位置からみたアンテナ１０３のインピーダンスは１００Ω以上であり、共振部１０１のインピーダンスよりも高い。このため、共振部１０１とアンテナ１０３とのインピーダンス整合を行う場合、共振部１０１と整合部１０２の接続位置のインピーダンスは、できるだけアンテナ１０３と整合部１０２との接続位置から見たアンテナ１０３のインピーダンスに近い方がインピーダンス整合を行いやすい。共振部１０１と整合部１０２の接続位置のインピーダンスを高くするためには、整合部１０２と共振部１０１とが接続している面内に共振方向における共振部１０１で共振する電磁波の電界の節となる位置が含まれないように、共振方向における共振部１０１で共振する電磁波の電界の節となる位置を避けて整合部１０２を配置することが好ましい。

例えば、複数の整合部１０２のそれぞれが、共振部１０１で共振する電磁波の電界が最大となる点、すなわち電界の腹（共振部１０１に定在する定在波の腹）となる部分において共振部１０１と接続する。本実施形態では共振部１０１の端面が開放端であるため、共振部１０１の端面から電磁波の共振方向に向かってｎλ_ｇ／２（ｎは自然数）の位置（共振部１０１の端面が固定端の場合はλ_ｇ／４＋ｎλ_ｇ／２の位置）が電界の腹となる。本実施形態では共振部１０１端面から共振方向へλ_ｇ／２、３λ_ｇ／２、５λ_ｇ／２・・・と複数の接続部において、共振部１０１とインピーダンス整合部１０２であるＭＳＬがそれぞれ接続されている。

アンテナ１０３は、電磁波を空間に放射するアンテナ部である。本実施形態のアンテナ部は、１つのアンテナ１０３から構成される。アンテナ１０３は、第一の導体層１０５と誘電体層１０７と第四の導体層１０９とを有し、第一の導体層１０５と第四の導体層１０９との間に誘電体層１０７が配置されている。

共振部１０１とアンテナ１０３とは、複数の整合部１０２を介して接続している。共振部１０１とアンテナ１０３とがインピーダンス整合することは、共振部１０１で共振する電磁波を有効に利用するために重要な要素となる。以下にインピーダンス整合について説明する。

共振部１０１とアンテナ１０３とが、（１）式の関係を満たすと、共振部１０１のインピーダンスＺｗｇとアンテナ１０３のインピーダンスＺａｎｔとが整合し、電磁波を共振部１０１から高効率で取り出すことができる。共振部１０１のインピーダンスＺｗｇは、共振部１０１と整合部１０２との接続位置から共振部１０１を見たインピーダンスである。アンテナ１０３のインピーダンスＺａｎｔは、整合部１０２とアンテナ１０３との接続位置からアンテナ１０３を見たインピーダンスである。ここで、ＭＳＬ（整合部１０２）の長さを、前記電磁波の実効波長の４分の１（λ_ｇ／４）、その特性インピーダンスをＺ_０とする。なお、ここで、共振部１０１と整合部１０２のＭＳＬとでは屈折率が異なるため、整合部１０２の長さは屈折率を考慮した実効波長で決まる。
Ｚ_０ ^２＝Ｚｗｇ・Ｚａｎｔ （１）

整合部１０２を複数用いて共振部１０１とアンテナ１０３とを接続することにより、共振部１０１で発生した電磁波の取り出し効率を向上できる。図４は、従来の発振素子及び本実施形態の素子１００のそれぞれの放射効率をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。シミュレーションは、図３（ａ）に示した整合部１０２が１つの従来の発振素子３００、及び、図３（ｂ）に示した、本実施形態の素子１００としての２つの整合部１０２を有する発振素子３５０について行った。

発振素子３００の共振部３０１は、長さが２λ_ｇで、共振部３０１で共振する電磁波の定在波が開放端反射する構成であるため、整合部３０２としてのＭＳＬは、共振部３０１の端面から電磁波の共振方向に向かってλ_ｇ／２の位置に接続されている。整合部３０２及び共振部３０１の構成は、整合部１０２及び共振部１０１の構成と同様である。また、図３（ｂ）の素子３５０も、共振部１０１の長さが２λ_ｇで、共振部１０１で共振する電磁波の定在波が開放端反射する構成とした。整合部１０２としてのＭＳＬは、共振部１０１の端面から電磁波の共振方向に向かってλ_ｇ／２及び３λ_ｇ／２の異なる２つの位置に接続されている。発振素子３５０と発振素子３００は、それぞれの共振部１０１、３０１を構成する各種膜構成、整合部１０２、３０２の形状等は全て同じ構成とする。アンテナ１０３、３０３のそれぞれは、各構造で放射効率がほぼ最大となるパッチアンテナを使用した。

図３（ａ）及び図３（ｂ）の構造において、それぞれの放射効率を電磁界シミュレータにて計算した結果を図４に示す。共振部１０１の共振方向に異なる位置に２つの整合部１０２が接続している発振素子３５０の放射効率の最大値は、整合部３０２が共振部３０１の１つの位置に接続されている発振素子３００の放射効率の最大値の約２倍となる。このように、発振素子３５０は、従来の発振素子３００よりも電磁波の出力が向上している。

このように、素子１００によれば、複数の整合部１０２を用いて、共振部１０１で共振する電磁波を共振部１０１の共振方向に異なる複数の位置から取り出すことにより、従来よりも電磁波の利用効率を向上することができる。

ＤＭＷを用いた共振部の端面から電磁波を取り出す場合を考えると、端面の数は増やせないため取り出し負荷でもある端面反射損失を調整するには限界がある。一方で、素子１００のように、共振部１０１の共振方向に異なる複数の位置から電磁波を取り出すことにより、取り出し負荷の調整が可能となる。一般のレーザ技術において広く知られるように、導波路構造の長さを長くして相対的に端面反射損失の比率を低減するなどとする手法を用いて、簡便に素子１００の発振出力電力を上げることが可能となる。

素子１００は、共振部１０１で共振する電磁波を共振部１０１に設けた複数の整合部１０２からインピーダンス整合により効率的に取り出し、アンテナ１０３により電磁波の出射方向を基板面に対して垂直方向の一方向に制御して放射することも可能である。

（第２の実施形態）
本実施形態では、素子１００を用いた測定装置８００について図８を参照して説明する。測定装置８００は、素子１００が発振したテラヘルツ波を試料８１０に照射して、試料８１０の測定を行う。また、測定結果を処理する処理部８０３を組み合わせることにより、試料８１０の状態等を取得することができる。

測定装置８００は、発振器８０１と、検出器８０２と、処理部８０３と、表示部８０４と、を有する。発振器８０１は、テラヘルツ波の連続波を発振する発振部で、素子１００を用いる。発振器８０１から発振したテラヘルツ波は、試料８１０に照射される。

検出器８０２は、試料８１０を透過した又は試料８１０で反射したテラヘルツ波を検出する検出部である。すなわち、検出器８０２は、試料８１０と相互作用したテラヘルツ波を検出する。検出器８０２としては、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）、プラズモニック検出器、ボロメーター、焦電検出器などを利用できる。

処理部８０３は、ＣＰＵ、メモリ、記憶デバイス等を備えたコンピュータであり、ＣＰＵが、検出器８０２の検出結果を用いて試料８１０の光学特性、又は状態等の試料８１０の情報を取得するための処理を行う。表示部８０４は、処理部８０３で取得した試料８１０の情報を表示するディスプレイ等である。測定装置８００は、具体的には、薬の状態などを検査する産業用検査装置や食品の異物混入を検査する装置などの応用が想定される。

以上、測定装置８００の発振器８０１として、素子１００を用いることができる。また、従来よりも放射効率が高く、高出力なテラヘルツ波を発振できる素子１００を用いることにより、測定装置８００による測定結果のＳ／Ｎ比が向上し、検査時間を短縮することができる。

（実施例１）
素子１００の構成について説明する。本実施例では、共振部１０１にプラズモン導波路構造が用いる。共振部１０１としてのプラズモン導波路は、第一の導体層１０５、利得構造１０４、第二の導体層１０６の順に積層されている。

利得構造１０４は、サブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の３重障壁共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）構造を含む半導体積層構造を含む。より具体的には、利得構造１０４はＲＴＤ構造として、ｎ−ＩｎＧａＡｓ（約５０ｎｍ、Ｓｉ、２×１０^１８ｃｍ^−３）、ＡｌＡｓ（約１．３ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（約７．６ｎｍ）、ＩｎＡｌＡｓ（約２．６ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（約５．６ｎｍ）、ＡｌＡｓ（約１．３ｎｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓ（約５０ｎｍ、Ｓｉ、２×１０^１８ｃｍ^−３）の順に積層された半導体量子井戸構造を有する。ＲＴＤ構造の上下には、高濃度にキャリアドープしたｎ＋ＩｎＧａＡｓ（約２００ｎｍ、１×１０^１９ｃｍ^−３）が配置されており、これにより、第一の導体層１０５及び第二の導体層１０６と利得構造１０４とを比較的低抵抗で接続する。

本実施例では第一の導体層１０５は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ（各部の厚さ＝約２０ｎｍ／約２０ｎｍ／約４００ｎｍ／約２０ｎｍ／約２０ｎｍ）の積層膜を有する。第二の導体層１０６は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝約２０ｎｍ／約２０ｎｍ／約４００ｎｍ）の積層膜を有する。不図示の基板は、ｐ＋ＧａＡｓ基板であり、第一の導体層１０５と接続されている。

共振部１０１は、ファブリペロー型の共振器構造を有し、電磁波の伝搬方向（共振方向）において少なくとも二つの端面を備えている。この端面からの反射を利用して、共振部１０１内を共振する電磁波を定在化するので、共振方向の長さが発振波長を決める要素となる。本実施例では、テラヘルツ波の発振周波数を０．３０ＴＨｚとするために、共振部１０１の長さを約１００μｍ（＝２λ_ｇ）、幅を約３μｍとした。第一の導体層１０５と第二の導体層１０６との距離は、約０．５μｍと近接されている。共振部１０１で共振する電磁波は、開放端である共振部１０１の両端面、共振部１０１の一方の端面から共振方向にλ_ｇ／２（端面から約２５μｍ）の位置、λ_ｇ（端面から約５０μｍ）の位置、及び３λ_ｇ／２（端面から約７５μｍ）の位置が電界の腹となる。ここで、共振部１０１の端面から共振方向に向かってλ_ｇ／２と３λ_ｇ／２の位置では電磁波は同位相であり、これらの位置にそれぞれ整合部１０２が接続している。そして、整合部１０２を介して共振部１０１とアンテナ１０３（パッチアンテナ）とが接続されている。

整合部１０２は、第一の導体層１０５、誘電体１０７、第三の導体層１０８の順に積層した構造である。誘電体１０７は、テラヘルツ波帯で低損失な絶縁材料が好適であり、具体的には、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などの樹脂やＳｉＯ_２などの無機材料が挙げられる。本実施例では、誘電体１０７としてＢＣＢを用いる。整合部１０２の誘電体１０７の厚さは、共振部１０１のプラズモン導波路構造の平坦化とＭＳＬの特性インピーダンスを考慮し、１．２μｍとした。

また、共振部１０１とアンテナ１０３とのインピーダンスを整合するために、（１）式に近づける必要がある。本実施例では、Ｚｗｇが約２Ω、Ｚａｎｔが約２００Ωであるため、Ｚ_０を約２０Ωとする必要がある。そこでＭＳＬのＺ_０を約２０Ωとするために、ＭＳＬの線幅を約１２μｍとした。ＭＳＬの長さは、λ_ｇ／４＝約１５５ｕｍとした。同位相の電磁波をアンテナ１０３へ送るために複数の整合部は１０２全て等しい設計となっている。

アンテナ１０３にパッチアンテナを用いている。アンテナ１０３は第一の導体層１０５、誘電体１０７、第四の導体層１０９の順に積層した構造が用いられ、誘電体１０７は前記インピーダンス整合部１０２と同様にＢＣＢを用いている。放射パターンはアンテナ１０３で制御された放射角の、第一の導体層１０５（基板面）の垂直方向の一方向にメインローブを持つ。アンテナ１０３の誘電体１０７の膜厚はアンテナの放射効率を上げるため、約２０μｍとした。アンテナ１０３の第四の導体層１０９と整合部１０２の第三の導体層１０８とは、電気的に接続されている。

また、共振部１０１の第二の導体層１０６、整合部１０２の第三の導体層１０８、及び、アンテナ１０３の第四の導体層１０９は、同時に形成してもよい。発振周波数が０．３ＴＨｚであるため、アンテナ１０３のパッチアンテナの大きさは、共振方向における長さ（パッチアンテナの長さ）を約３１０μｍ、幅を約５００μｍとした。素子１００として図３（ｂ）の２つの整合部１０２を有する発振素子３００についてシミュレーションを行った結果、発振素子３００の電磁波出力は、基板面と垂直な方向で電力が合成され約２０μＷの出力が得られる。

このような素子１００によれば、特許文献２のように共振部の片端面から電磁波を取り出す方法と比較して、電磁波の出力を向上することができる。

整合部１０２の数を増やして共振部１０１との接続位置が増加すると、電磁波の出力もそれに応じて増加する。

なお、本実施例では、アンテナ部がアンテナ１０３を１つだけ有している。そして、共振部１０１の共振方向に異なる複数の位置に整合部１０２を配置し、複数の整合部１０２を介して共振部１０１と１つのアンテナ１０３とを接続していた。これに限らず、アンテナ部が複数のアンテナを有しており、複数の整合部１０２がそれぞれ別のアンテナと接続していてもよい。

例えば、図５に示すように、アンテナ部が第一のアンテナ１０３と第二のアンテナ５０３とを有する。共振部１０１の端面からλ_ｇ／２の奇数倍（λ_ｇ／２及び３λ_ｇ／２）の位置に整合部１０２を配置し、２つの整合部１０２を介して共振部１０１と第一のアンテナ１０３とを接続する。また、共振部１０１の端面からλ_ｇ／２の偶数倍（λ_ｇと２λ_ｇ）の位置に整合部５０２を配置し、２つの整合部５０２を介して共振部１０１と第二のアンテナ５０３とを接続する。なお、整合部５０２は整合部１０２と同じ構成であり、第二のアンテナ５０３は、アンテナ１０３と同じ構成である。

２つの整合部１０２のそれぞれから取り出される電磁波の位相は同じである。また、２つの整合部５０２のそれぞれから取り出される電磁波の位相も同じとなる。すなわち、共振部１０１に対して同位相となる位置に配置されている２つの整合部１０２が、同じ第一のアンテナ１０３に接続されており、共振部１０１に対して同位相となる位置に配置されている２つの整合部５０２が、同じ第二のアンテナ５０３に接続されている。

この場合、第一のアンテナ１０３及び第二のアンテナ５０３のそれぞれの共振方向を考慮して各アンテナ１０３、５０３を配置することにより、放射する電磁波の指向性を高めることが可能となり、さらに電磁波の取り出し効率を上げることができる。

このように、本実施例の発振素子１００、５００によれば、従来よりも電磁波の利用効率を向上することができる。

（実施例２）
本実施例では、素子１００の変形例について、図６を参照して説明する。図６は、実施例２の発振素子６００の構成を説明する模式図である。素子１００は、共振部１０１がまっすぐなストレート型の導波路構造を有していたが、発振素子６００は、ハーフリング形状の共振部６０１を有し、共振部６０１の２つの端部のそれぞれに整合部６０２を接続している。その他の構成は実施例１と同様であり、詳細な説明は省略する。

発振素子６００は、共振部６０１と、整合部６０２と、アンテナ１０３と、を有する。共振部６０１の断面の積層構造、整合部６０２及びアンテナ１０３のそれぞれの膜構成については、実施例１と同じものを用いる。

共振部６０１はハーフリング形状で、共振部（導波路構造）６０１の長さ（共振方向における導波路構造の全長）はｎλ_ｇ（ｎ＝１、２、３、・・・）とする。共振部６０１とアンテナ１０３とは、２つの整合部６０２を介して接続されている。２つの整合部６０２は、共振部６０１の２つの端面のそれぞれと接続している。共振部６０１の長さが共振波長λ_ｇの自然数倍であるため、共振部６０１で共振する電磁波の位相はハーフリング形状の共振部６０１の両端面で同位相となる。よって、２つの整合部６０２のそれぞれから取り出した電磁波の位相を同位相にすることができる。

また、ハーフリング形状の共振部６０１を共振するテラヘルツ波は開放端反射しているため、２つの整合部６０２を、共振部６０１を共振するテラヘルツ波の定在波の腹の位置に接続できる。

本実施例の発振素子６００によれば、従来よりも電磁波の利用効率を向上することができる。その結果、発振素子６００によれば、従来の共振器の片端面から電磁波を取り出す方法と比較して、約２倍の放射効率が得られると期待できる。

（実施例３）
本実施例では、素子１００の別の変形例について、図７を参照して説明する。図７は、本実施例の発振素子７００の構成を説明する模式図である。発振素子７００は、リング形状の共振部７０１を有し、共振部７０１の２つの異なる位置に整合部６０２を接続している。その他の構成は実施例１と同様であり、詳細な説明は省略する。

発振素子７００は、共振部７０１と、整合部７０２と、アンテナ１０３と、を有する。共振部７０１の断面の積層構造、整合部７０２及びアンテナ１０３のそれぞれの膜構成については、実施例１と同じものを用いる。

共振部７０１は、リング形状で、共振器（導波路構造）７０１の長さは２λ_ｇ＋ｎλ_ｇ（ｎ＝０、１、２、・・・）である。共振部７０１とアンテナ１０３とは、２つの整合部７０２を介して接続されている。２つの整合部７０２は、それぞれの整合部７０２から取り出す電磁波の位相が同位相となるように、共振部７０１に対して共振方向における接続位置同士の距離がｎλ_ｇとなるように配置されている。すなわち、２つの整合部７０２の間の共振部７０１の長さが、ｎλ_ｇとなるように配置されている。また、２つの整合部７０２のそれぞれは、共振部７０１内を共振するテラヘルツ波の定在波の腹となる位置に接続されることが望ましい。

本実施例の発振７００によれば、従来よりも電磁波の利用効率を向上することができる。

（実施例４）
本実施例では、素子１００の別の変形例について説明する。図９（ａ）は、素子１００の変形例の１つとしての発振素子９００の構成を説明する図である。素子１００はアンテナ部がアンテナ１０３を１つだけ有しており、１つのアンテナ１０３に複数の整合部１０２が接続されていた。これに対し、発振素子９００は、アンテナ部が複数のアンテナ１０３を有し、複数の整合部１０２のそれぞれが異なるアンテナ１０３に接続されている。複数の整合部１０２のそれぞれは、共振部１０１内に定在するテラヘルツ波の定在波の腹の位置に配置されている。

図９（ｂ）は、素子１００の別の変形例としての発振素子９５０の構成を説明する図である。発振素子９５０は、ストレートな共振部１０１の両端面のそれぞれに整合部１０２を配置し、各整合部１０２を介して共振部１０１と１つのアンテナ１０３とを接続した発振素子である。共振部１０１の長さが共振波長λ_ｇの自然数倍であるため、共振部１０１で共振する電磁波の位相は共振部１０１の両端面で同位相となる。よって、２つの整合部１０２のそれぞれから取り出した電磁波の位相は同位相となる。また、共振部１０１を共振するテラヘルツ波は開放端反射しているため、２つの整合部１０２は、共振部１０１を共振するテラヘルツ波の定在波の腹の位置に接続されている。

本実施例の発振素子９００、９５０においても、従来よりも電磁波の利用効率を向上することができる。発振素子９００は、２つのアンテナ１０３を用いているため、各アンテナ１０３から放射される電磁波の放射方向を同じにするように各アンテナ１０３を設計する必要がある。そのため、１つのアンテナ１０３に複数の整合部１０２を接続する構成の方が好ましい。これらの構造の発振器でも前述した実施例と同様に放射する電磁波の指向を高めることが可能となり、更に電磁波の取り出し効率を上げることができる。

以上、本発明の実施形態と実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態と実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施形態では、第一の導体層１０５が、利得構造１０４、複数の整合部１０２、アンテナ１０３における共通の接地導体であった。しかし、この構成に限らず、利得構造１０４、複数の整合部１０２及びアンテナ１０３のそれぞれが接地導体として異なる導体を有していてもよい。

１００ 発振素子
１０１ 導波路構造（共振部）
１０２１ 第一の接続部（インピーダンス整合部）
１０２２ 第二の接続部（インピーダンス整合部）
１０３ アンテナ（アンテナ部）
１０４ 半導体層（利得構造）
１０５ 第一の導体層
１０６ 第二の導体層

Claims (14)

1. 電磁波を発振する発振素子であって、
   前記電磁波を共振させ、所定の方向に延在して配された導波路構造と、
   前記電磁波を放射するアンテナ部と、
   前記導波路構造と前記アンテナ部とを接続している第一の接続部と、
   前記導波路構造と前記アンテナ部とを接続している第二の接続部と、を有し、
   前記導波路構造は、第一の導体層と、第二の導体層と、前記第一の導体層と前記第二の導体層との間に配置されている、前記電磁波の利得を有する半導体層と、を有し、
   前記第一の接続部と前記第二の接続部は、前記第一の導体層と、前記第二の導体層と電気的に接続される第三の導体層と、前記第一の導体層と前記第三の導体層との間に設けられた誘電体層と、を有し、
   前記第一の接続部と前記第二の導体層との第一の接続位置と、前記第二の接続部と前記第二の導体層との第二の接続位置と、は、前記所定の方向において異なる位置であり、
   前記第一の接続位置と前記第二の接続位置は、前記導波路構造の両端部とは異なる位置であることを特徴とする発振素子。
2. 前記電磁波の発振波長をλｇ、自然数をｎとすると、前記第一の接続位置と前記第二の接続位置との間隔は、ｎλｇ−λｇ／４より大きくｎλｇ＋λｇ／４未満であることを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
3. 前記第一の接続部は、前記第一の接続部の前記第三の導体層と、前記導波路構造の前記第二の導体層とが接している面が、前記導波路構造で共振する前記電磁波の電界の節となる位置を含まず、
   前記第二の接続部は、前記第二の接続部の前記第三の導体層と、前記導波路構造の前記第二の導体層とが接している面が、前記導波路構造で共振する前記電磁波の電界の節となる位置を含まない
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発振素子。
4. 前記第一の接続位置は、前記共振方向における前記導波路構造で共振する前記電磁波の電界の腹となる位置である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発振素子。
5. 前記電磁波の発振波長をλｇとすると、前記第一の接続位置及び前記第二の接続位置のそれぞれは、前記導波路構造の各端面から前記共振方向にλｇ／２の奇数倍の位置であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の発振素子。
6. 前記第二の接続位置は、前記共振方向における前記導波路構造で共振する前記電磁波の電界の腹となる位置である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の発振素子。
7. 前記第一の接続部及び前記第二の接続部のそれぞれは、前記導波路構造のインピーダンスと前記アンテナ部のインピーダンスとを整合するための整合回路である
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発振素子。
8. 前記第一の接続部及び前記第二の接続部のそれぞれは、前記電磁波の実効波長の４分の１の長さを有する
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発振素子。
9. 前記第一の導体層及び前記第二の導体層のそれぞれは、誘電率実部が負の負誘電率媒質を含む
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発振素子。
10. 前記半導体層は、キャリアのサブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する量子井戸構造の半導体多層膜を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発振素子。
11. 前記アンテナ部は、第一のアンテナと第二のアンテナとを有し、
    前記第一の接続部は、前記導波路構造と前記第一のアンテナとを接続しており、
    前記第二の接続部は、前記導波路構造と前記第二のアンテナとを接続している
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の発振素子。
12. 前記電磁波の発振波長をλｇとすると、前記導波路構造の前記所定方向における長さは、λｇ／２の整数倍である
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の発振素子。
13. 前記電磁波の周波数は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発振素子。
14. 試料からの電磁波を測定する測定装置であって、
    前記試料に電磁波を照射する発振部と、
    前記試料を透過した又は前記試料で反射した電磁波を検出する検出部と、を有し、
    前記発振部が、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の発振素子を含む
    ことを特徴とする測定装置。

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