JP7100861B2 - 伝送デバイス及び、その伝送デバイスを搭載するシステム - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 １．２０１９年９月１日 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｒｍｍｗ－ｔｈｚ２０１９．ｏｒｇ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ／ｔｅｃｈｎｉｃａｌ－ｐｒｏｇｒａｍ ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ａｂｓｔｒａｃｔ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／８８７４３６７ ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／８８７４３６７にて発表 ２．２０１９年９月１日 ４４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ，Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ，ａｎｄ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｗａｖｅｓ（ＩＲＭＭＷ－ＴＨｚ ２０１９）予稿集にて発表 ３．２０１９年９月５日 ４４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ，Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ，ａｎｄ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｗａｖｅｓ（ＩＲＭＭＷ－ＴＨｚ ２０１９）にて発表 ４．２０２０年１月１６日 ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ．ｏｒｇ／ｏｅ／ｉｓｓｕｅ．ｃｆｍ？ｖｏｌｕｍｅ＝２８＆ｉｓｓｕｅ＝２ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ．ｏｒｇ／ｏｅ／ａｂｓｔｒａｃｔ．ｃｆｍ？ｕｒｉ＝ｏｅ－２８－２－２３６６ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ．ｏｒｇ／ｏｅ／ｆｕｌｌｔｅｘｔ．ｃｆｍ？ｕｒｉ＝ｏｅ－２８－２－２３６６＆ｉｄ＝４２６０００ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ．ｏｒｇ／ｏｅ／ｖｉｅｗｍｅｄｉａ．ｃｆｍ？ｕｒｉ＝ｏｅ－２８－２－２３６６＆ｓｅｑ＝０＆ｈｔｍｌ＝ｔｒｕｅ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｏｓａｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ．ｏｒｇ／ｏｅ／ｖｉｅｗｍｅｄｉａ．ｃｆｍ？ｕｒｉ＝ｏｅ－２８－２－２３６６＆ｓｅｑ＝０ ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３６４／ＯＥ．３８１８０９ にて発表

本発明の実施形態は、誘電性を有する基板に形成され、発信及び受信されるテラヘルツ波の信号を伝送する伝送デバイス及び、その伝送デバイスを搭載するシステムに関する。

近年、無線通信技術やイメージ技術においては、テラヘルツ波（３００GHz～１００THz程度）の信号を利用するシステムが提案されている。無線通信技術にテラヘルツ波の信号を利用すると、送信するデータ量が大きくなり、またイメージ技術にテラヘルツ波の信号を利用すると、Ｘ線による被爆は生じずに透視検査や非破壊検査が実施でき、分解能が高く、マイクロ波に比べてより高精細な画像を取得することができる。

特開２００６－９１８０２号公報

前述したテラヘルツ波の信号を発生させるシステムとして、例えば、特許文献１には、テラヘルツ電磁波発生装置が提案されている。このシステムにおいては、送信器が発生したテラヘルツ波信号を伝送して対象物に向かって出射し、そのテラヘルツ波信号の反射信号又は散乱信号を受信器まで伝送する伝送機構を有している。

この伝送機構は、導波路と、ミラー及びレンズを含む複数の光学素子とが組み合わされて、空間光学系が構成されている。複数の光学素子を組み合わせた場合、対象物までの一路の伝送経路を構築するために、各光学素子に対して微妙な位置調整や角度調整の作業が必要な上に、これらの光学素子を移動可能に支持する支持部材も必要となり、システムが大型化している。

そこで本発明の実施形態は、誘電性を有する基板に空間光学系の機能を有する素子を形成し、各素子の位置調整不要で小型化された伝送デバイス及び、その伝送デバイスを含むテラヘルツ波システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に従う一実施形態に係る伝送デバイスは、誘電性を有する平坦な基板に形成され、テラヘルツ波信号の周波数により設定された幅を有し、前記テラヘルツ波信号を伝搬する第１導波路と、前記基板に形成される千鳥配置された複数の第１貫通孔を有し、前記第１導波路と接続して前記テラヘルツ波信号の送受を行い、前記第１貫通孔の孔径と孔間距離により設定された第１屈折率により、通過する前記テラヘルツ波信号を拡散して平行波に変換する又は、通過する平行波の前記テラヘルツ波信号を収束させる第１平面レンズと、前記第１導波路と前記第１平面レンズ部が接合する第１接合箇所に配置され、前記第１導波路から前記第１平面レンズ部に向かい、徐々に大径化する複数の第４貫通孔を有し、前記第１導波路と前記第１平面レンズ部間のインピーダンス整合を行う第１接合部と、を備える。

さらに、一実施形態に係る伝送デバイスは、前記テラヘルツ波信号を伝搬する前記第１導波路と、前記テラヘルツ波信号を円弧状に拡散して、平行波に変換する前記第１平面レンズと、前記第１導波路と前記第１平面レンズ部間のインピーダンス整合を行う前記第１接合部と、を備え、さらに、前記基板上で前記第１平面レンズと接続し、前記第１平面レンズから平行波に変換された前記テラヘルツ波信号を伝送する伝送路と、前記基板に形成されて前記伝送路と接続し、千鳥配置された複数の前記第１貫通孔を有し、前記第１貫通孔により設定された前記第１屈折率により、通過する前記テラヘルツ波信号に対して、前記伝送路から伝送された平行波の前記テラヘルツ波信号を収束させる又は、前記第１屈折率により前記テラヘルツ波信号の反射信号を拡散して、平行波に変換する第２平面レンズと、前記基板に形成されて前記第２平面レンズと接続し、収束された前記テラヘルツ波信号の周波数により設定された幅を有し、前記第２平面レンズから入力された前記テラヘルツ波信号を出力し、又は外部から入力された前記テラヘルツ波信号の反射信号を前記第２平面レンズへ伝搬する第２導波路と、前記第２平面レンズ部と前記第２導波路が接合する第２接合箇所に配置され、前記第２導波路から前記第２平面レンズ部に向かい、徐々に大径化する複数の前記第４貫通孔を有し、前記第２平面レンズ部と前記第２導波路間のインピーダンス整合を行う第２接合部と、を備える。また、前記伝送路内に、誘電体、半導体、導電体、及び磁性体の材料のうちの何れか１つの前記材料又は、２つ以上の前記材料を組み合わせた材料を用いて、複数の第２貫通孔の格子配置による帯状に形成され、前記帯状の領域における前記第２貫通孔による気体の含有率により設定された第２屈折率による反射又は透過により、前記第１平面レンズ部から伝送される平行波の前記テラヘルツ波信号を前記第２平面レンズ部に伝送するビームスプリッタ部を有し、前記ビームスプリッタ部は、単体で形成されて前記基板と一体化される又は、前記基板内で前記伝送路と共に形成される。

本発明によれば、誘電性を有する基板に空間光学系の機能を有する素子を形成し、位置調整不要で小型化された伝送デバイス及び、その伝送デバイスを搭載するシステムを提供することができる。

図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波の信号を伝送する伝送デバイスを含むテラヘルツ波システムの概念的な構成例を示す図である。 図２は、３ポートの伝送デバイスの概念的な構成を示す図である。 図３は、フォトニック結晶導波路を有する第１ポートの構成例を示す図である。 図４は、フォトニック結晶導波路と平面レンズ部の接合箇所の構成を示す図である。 図５は、第１平面レンズ部の構成を示す図である。 図６は、第１平面レンズ部の貫通孔の配置について説明するための概念図である。 図７は、貫通孔を通過するテラヘルツ波信号の経路の一例を示す図である。 図８Ａは、平行波となるテラヘルツ波信号の経路の概念的に示す図である。 図８Ｂは、収束するテラヘルツ波信号の経路の概念的に示す図である。 図９は、平面レンズ部内を放射状に広がるテラヘルツ波信号を概念的に示す図である。 図１０は、ビームスプリッタ部を形成する貫通孔の配置例を示す図である。 図１１は、貫通孔の配置関係を説明するための図である。 図１２は、ビームスプリッタ部におけるテラヘルツ波信号の反射と透過を説明するための図である。 図１３は、テラヘルツ波信号の周波数に対する反射率の特性を示す図である。 図１４は、テラヘルツ波信号の周波数に対する反射率の特性を示す図である。 図１５は、テラヘルツ波信号の周波数に対する反射波と透過波との比を示す図である。 図１６は、テラヘルツ波信号の周波数に対する反射波と透過波との比を示す図である。 図１７は、テラヘルツ波信号の周波数に対する透過波の比較を示す図である。 図１８は、第２の適用例に係る細線導波路部を有する第１ポートの構成例を示す図である。 図１９は、細線導波路部と平面レンズ部との接合箇所を拡大して示す拡大図である。 図２０は、フォトニック結晶導波路を用いた平面レンズ部と、細線導波路部を用いた平面レンズ部とにおける透過率の信号強度の特性を示す図である。 図２１は、伝送路の貫通孔による空気含有率ζに対する反射率と透過率の関係を示す図ある。 図２２Ａは、別体で形成したビームスプリッタ部を伝送デバイスに嵌め込む構成について説明するための図である。 図２２Ｂは、図２２Ａに示すビームスプリッタ部を伝送デバイスに嵌め込んだ構成を示す図である。 図２３Ａは、ハイブリッドの積層構造に形成したビームスプリッタ部を伝送デバイスに嵌め込む構成について説明するための図である。 図２３Ｂは、図２３Ａに示すハイブリッド構造のビームスプリッタ部を伝送デバイスに嵌め込んだ構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
一実施形態に係る伝送デバイスを含むテラヘルツ波システムについて説明する。図１は、本実施形態に係るテラヘルツ波の信号を伝送する伝送デバイスを含むテラヘルツ波システムの概念的な構成例を示す図である。
このテラヘルツ波信号は、電磁波の領域と光の領域に掛かる周波数帯域にあり、ここでは、周波数１００GHz～３THz程度又は、波長３０μｍ～１ｍｍ程度の電磁波とするが、明確に定義されているものではない。また、利用対象等によっては、テラヘルツ波の周波数の上限を１０THzまでの範囲に設定してもよい。

本実施形態のテラヘルツ波システム１は、テラヘルツ波信号を発信出力する送信器２と、ビームスプリッタ部４を含む導波部３を有し、テラヘルツ波信号、及びテラヘルツ波信号の反射信号の伝送路を構成する伝送デバイス５と、伝送デバイス５から出射されたテラヘルツ波信号を検査対象物１００に照射し、その検査対象物１００で反射したテラヘルツ波信号の反射信号が入射する光学系６と、テラヘルツ波信号の反射信号が伝送デバイス５を経て入力され、反射信号に基づく検出信号を生成する受信器７と、を備えている。

テラヘルツ波システム１は、利用目的に沿った周辺機器を補うことで、無線通信装置及び、撮像装置等々に適用することができる。無線通信装置であれば、例えば、テラヘルツ波信号は、情報量を大容量で扱えるため、非圧縮で高質画像の多重放送通信に用いることができる。また、撮像装置であれば、空港等のセキュリティー検査や表側から内部を観察する非破壊検査に用いることができる。さらに、直視できない、塗装された物体や表面が表皮部材で覆われた物体、例えば、塗装されたパイプや壁部又は、被覆されたコード等に対して、近接し表面上から錆、亀裂及び、断線等の有無を検出することができる。

送信器２は、テラヘルツ波信号を発信する、例えば、負性抵抗素子に共振器を集積した発振器を含み、一構成例として、共鳴トンネルダイオード（Resonant tunneling Diode : RTD）である負性抵抗素子と、スロットアンテナである共振器との組み合わせで構成される。または、送信器２は、ＲＴＤとマイクロストリップ共振器とを含む構成であってもよい。ＲＴＤ等の回路素子は、半導体基板上に形成することができる。

受信器７は、常温の環境下で利用可能な直接検出方式におけるダイオード（ショットキーバリヤダイオード等）又は、ボロメータ又は、ヘテロダイン検波器等の周知な構成を用いることができる。その他の受信器として、極低温環境下で利用可能な量子型検出器等がある。尚、伝送デバイスが検査装置等を構成するテラヘルツ波システムに用いられる場合には、受信器７は、図示しないパーソナルコンピュータ等の処理装置と接続され、検出された検出信号に対して、予め設定された基準に基づく判断や、種々の処理が行われる。さらに、上記システムにインターフェース機能を持たせることにより、ネットワーク回線、例えば、インターネット等を介してサーバと通信を行い、検出されたデータを送信することで、検査実施場所とは異なる場所でデータ処理及びデータ解析を行うことも可能である。

光学系６は、伝送デバイス５から送出されたテラヘルツ波信号を、揺動するガルバノミラー又は回転するポリゴンミラーにより掃引させてスキャン信号に変更するスキャン部８と、スキャン信号を検査対象に合焦させて照射し、検査対象からの反射信号を受光する対物レンズ９と、を有する。尚、本実施形態では、光学系６は、一例として対物レンズ９又はアンテナ等の１つの部材で送受信を行うモノスタティック構造を挙げているが、これに限定されるものではない。例えば、スキャン信号を照射（又は、発信）する部材と、照射対象からの反射信号を受光（又は、受信）する部材とで構成される、バイスタティック構造であってもよい。例えば、何らかの対象物にテラヘルツ波信号を照射する場合に、テラヘルツ波信号の対象物への入射方向と、対象物で反射したテラヘルツ波信号の反射信号の反射方向が異なる場合には、個々に対物レンズ９又はアンテナ等の素子を配置する。尚、スキャン部８は、テラヘルツ波システム１の使用目的や装置仕様に応じて備えられる構成部位であり、必ずしも必須ではない。

伝送デバイス５の基材となる基板は、例えば、シリコン：Si、リン化インジウム：InP、ヒ化ガリウム：GaAs又は、窒化ガリウム：GaN等の半導体基板を用いて形成される。本実施形態においては、半導体基板は、導体ではなく誘電体の形態で用いられる。尚、上述の材料に限定されるものではなく、電気的特性が本実施形態で用いた基板と同等な誘電性を有する材料であれば、同様に用いることも可能である。以下、本実施形態の伝送デバイス５は、基板にシリコン半導体基板を用いた例で説明する。

以下に説明する例において、伝送デバイス５は、１つのシリコン半導体基板から一体的に形成される、導波部（平面シリコンスラブ）３と、信号供給ポート［第１ポート］１１と、信号送受ポート［第２ポート］１２と、反射波信号受信ポート［第３ポート］１３とを有する３ポートタイプ伝送デバイスである。また、ビームスプリッタ部４は、シリコン半導体基板上に導波部３と共に形成される、又は、後述するように、シリコン半導体基板とは別体で形成された後、導波部３に嵌め込み、シリコン半導体基板と一体的に構成される。

また、本実施形態における導波部３において、第１ポート１１と対向する辺のポートが設けられていない箇所には、ドーピング処理を施して、ビームスプリッタ部４を透過したテラヘルツ波信号の吸収体の機能を付与する。この吸収体の機能により、ビームスプリッタ部４を透過し導波部３の端部で反射してビームスプリッタ部４へ戻るテラヘルツ波信号の反射信号を消滅させる。また、第１ポート１１と対向する導波部３の箇所を開放しておくことで、反射信号を抑制することも可能である。

または、伝送デバイス５は、前述した第１ポート１１と対向する辺に新たな第４ポート（図示せず）を設けて、出力されるテラヘルツ波信号を他のシステム又は機能に利用することが可能である。伝送デバイス５は、第４ポートを、例えば、伝搬されるテラヘルツ波信号をモニタするシステムに利用する、さらには、ビームスプリッタ部４へ戻るテラヘルツ波信号の干渉信号を意図的に生成する機能にも利用することができる。

以下の説明において、スラブは、平行平板状の半導体又は半導体薄膜を示す。また、スラブモードは、スラブをコアとし、上下の空気をクラッドとして、テラヘルツ波信号をコアに閉じ込めた状態で伝搬する電磁界の状態（モード）を示す。尚、本実施形態におけるスラブモードは、スラブ内においては、閉じ込め機構がないため、図９に示すように、導波部３である平面シリコンスラブの面内を空間伝搬のように半円状又は円弧状に広がった後、平面波（平行波）的にスラブ内を伝搬するモードを意味する。

導波部３の平面シリコンスラブは、使用するテラヘルツ波信号の周波数（波長）により設定し、本実施形態において、例えば、３３０GHz（０．３３THz）の周波数であれば、厚さ２００μｍのシリコン半導体基板が用いられている。本実施形態における導波部３は、矩形の外形形状であり、平行に対向する両主面で矩形の断面形状を有する。

導波部３は、後述するように第１平面レンズ部２２及び、第２平面レンズ部３２により平行波（コリメーション）に偏向されたテラヘルツ波信号をシリコン基板内に閉じ込めた状態で伝送する。本実施形態においては、導波部３のシリコン基板内を閉じ込めた状態で伝送するテラヘルツ波信号をスラブモードビームと称する。

図２は、フォトニック結晶導波路を用いた３つのポートが設けられる伝送デバイス５の概念的な構成を示す図である。図２に示すように、本実施形態の第１乃至第３ポート１１，１２，１３は、ビームスプリッタ部４によるテラヘルツ波信号の透過と反射を利用する伝送路の経路の設定に応じて、矩形の導波部３の各辺に配置される。本実施形態におけるテラヘルツ波信号の伝送経路は、送信器２から第１ポート１１に入射したテラヘルツ波信号（出射信号）をビームスプリッタ部４で反射して第２ポート１２に伝搬する出射経路１０３と、検査対象物で反射して第２ポートに入射したテラヘルツ波信号の反射波信号（検出信号）をビームスプリッタ部４で透過して第３ポート１３に伝搬する入射経路１０２と、に設定されている。即ち、テラヘルツ波信号の経路は、ビームスプリッタ部４によるテラヘルツ波信号の透過と反射の利用の仕方で適宜、変更可能である。

［第１の適用例］
図２及び図３を参照して、第１乃至第３ポート１１，１２，１３において、フォトニック結晶導波路を用いた第１の適用例について説明する。図３は、フォトニック結晶導波路を有する第１ポートの構成例を示す図である。

第１乃至第３ポート１１，１２，１３は、矩形状の導波部３の各辺に、導波部３と一体的に形成される。尚、残りの第４ポートに相当する辺には、前述したテラヘルツ波信号の吸収体が設けられており、後述するビームスプリッタ部４から漏れ出たテラヘルツ波信号を吸収し、反射信号の発生を防止する。これらの第１乃至第３ポート１１，１２，１３は、共に、平面レンズ部と、第１乃至第３導波路２４，３４，４４と、を含む構成である。第１乃至第３導波路２４，３４，４４には、それぞれに第１、第２、第３金属導波管２１，３１，４１が差し込まれて結合されている。この結合は、接着剤や溶着材等を用いて固定してもよい。

具体的には、第１ポート［信号供給ポート］１１は、第１平面レンズ部２２と、第１フォトニック結晶導波路２３とを有し、送信器２から第１金属導波管２１を通じて送信されたテラヘルツ波信号を導波部３に供給（入力）する。
第２ポート［信号送受ポート］１２は、第２平面レンズ部３２と、第２フォトニック結晶導波路３３とを有する。第２ポート１２は、導波部３を伝搬されたテラヘルツ波信号を、第２金属導波管３１を通じて光学系６へ出力し、且つ光学系６から戻った図示しない検査対象物１００に反射したテラヘルツ波信号の反射波信号（検出信号）を入力し、導波部３へ伝搬する。

第３ポート［反射波信号受信ポート］１３は、第３平面レンズ部４２と、第３フォトニック結晶導波路４３とを有し、導波部３を伝搬した反射波信号を第３金属導波管４１を通じて、受信器７に出力する。

まず、第１乃至第３金属導波管２１，３１，４１について説明する。
これらの第１金属導波管２１と第２金属導波管３１と第３金属導波管４１は、中空で断面が矩形形状の同等な導波管である。導波管の断面形状は矩形に限定されるものではなく、楕円等の円形であってもよい。各導波管において、第１金属導波管２１は、一端を送信器２と接続し、他端を第１フォトニック結晶導波路２３と結合して、送信器２から送信されたテラヘルツ波信号を第１フォトニック結晶導波路２３に供給する。
第２金属導波管３１は、一端を光学系６と接続し、他端を第２フォトニック結晶導波路３３と結合する。第２金属導波管３１は、第２フォトニック結晶導波路３３から伝搬されたテラヘルツ波信号を光学系６に伝搬し、光学系６から戻った検査対象物１００（図１）に反射したテラヘルツ波信号の反射信号を第２フォトニック結晶導波路３３へ伝搬する。

第３金属導波管４１は、一端を受信器７と接続し、他端を第３フォトニック結晶導波路４３と結合して、第３フォトニック結晶導波路４３から導波部３を経て伝搬されたテラヘルツ波信号の反射信号を受信器７に出力する。
これらの第１乃至第３金属導波管２１，３１，４１は、例えば、アルミニウムや銅等の金属材料を用いて、断面が矩形の中空に形成される方形導波管である。これらの金属導波管は、後述する第１乃至第３導波路２４，３４，４４の各テラヘルツ波伝送路の終端から断面が矩形のテーパー状に張り出すように設けられる尖端導波路（テーパースパイク）にそれぞれ嵌合して結合される。

次に、図３及び図４を参照して、第１乃至第３フォトニック結晶導波路２３，３３，４３について説明する。図４は、フォトニック結晶導波路と平面レンズ部の接合箇所の構成を示す図である。第１乃至第３フォトニック結晶導波路２３，３３，４３は、中央に導波部３に直線的に向かう中実な第１乃至第３導波路２４，３４，４４が配置される、２次フォトニック結晶スラブを用いたテラヘルツ波信号の入出力インターフェースである。尚、第１乃至第３フォトニック結晶導波路２３，３３，４３は、共に同等な構成であり、以下では、代表的に第１フォトニック結晶導波路２３を例として説明する。

第１フォトニック結晶導波路２３は、例えば、厚さ２００μｍのシリコン半導体基板に、直線的な第１導波路２４が形成され、その両側に複数の貫通孔２５により形成される平面レンズ部が形成されている。この平面レンズ部は、第１導波路２４の両側に、半導体製造技術として用いられているフォトリソグラフィー技術及び、異方向性エッチング技術（例えば、プラズマエッチング）等を用いて、多数の貫通孔（スルーホール）２５がアレイ状に形成される。これらの貫通孔２５は、列毎に１／２ピッチずれて、近接する貫通孔２５どうしが正三角形の位置関係を構成する千鳥配置（三角格子配置）を形成するように開口されている。

中実な第１導波路２４の両側面に貫通孔２５が形成される構造は、貫通孔２５によるフォトニックバンドギャップ効果により、第１導波路２４にテラヘルツ波信号が漏れ出ないように留まる。また、第１導波路２４の上下面は、大気に晒されていた場合に、シリコンと空気との屈折率の差で全反射が生じ、同様に、第１導波路２４にテラヘルツ波信号が留まる。よって、テラヘルツ波信号は、第１導波路２４に留まった状態で伝搬されるため、第１導波路２４が伝送路として機能する。

第１導波路２４と第１平面レンズ部２２との接合箇所においては、第１導波路２４側に、第１導波路２４から第１平面レンズ部２２に向かい徐々に径が大きくなるように大径化する複数の貫通孔（第４貫通孔）２４ａが千鳥配置に形成される。これらの貫通孔２４ａは、第１導波路２４と第１平面レンズ部２２とのインピーダンス整合を取り、電磁波であるテラヘルツ波信号の反射波が発生することを防止する。この接合箇所を設けることで、帯域幅を１オクターブよりも広くすることができる。接合箇所に形成される貫通孔２４ａは、後述する第１平面レンズ部２２に形成される貫通孔２６よりも小径である。

また、図４に示すように、第１導波路２４に接する貫通孔２５は、半円筒形状の中心軸に掛かる錐面（切断面）側が接するように形成されている。この第１フォトニック結晶導波路２３の第１導波路２４及び貫通孔２５は、後述する第１平面レンズ部２２の貫通孔２６と同時に形成される。

この第１導波路２４は、テラヘルツ波信号をほぼ半波長の周期で反射する反射鏡として形成されて、導波路として機能する。このため、第１導波路２４は、伝搬するテラヘルツ波信号の周波数（波長）によって、断面の大きさ（主として、導波路の幅）が設定される。本実施形態においては、例えばテラヘルツ波信号の周波数が０．３３THz（３３０GHz）である場合には、導波路の幅Ｌ１は、４５９．７μｍ、貫通孔２５の半径ｒは、１３７．８μｍ、及びピッチ（隣接する貫通孔の中心どうし間の距離）Ｐは、３３６μｍの正三角形の等辺格子に配置される。勿論、これらの数値は、一例であり、限定されるものではない。

次に、図２、図３、図５乃至図９を参照して、第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２について説明する。図５は、第１平面レンズ部２２に形成されるレンズ機能を有する複数の貫通孔を示す図である。図６は、第１平面レンズ部２２の貫通孔の配置について説明するための概念図である。図７は貫通孔を通過するテラヘルツ波信号の経路の一例を示す図である。図８Ａは、第１ポートにおけるテラヘルツ波信号が通過して平行波となるテラヘルツ波信号の経路の概念的に示す図、図８Ｂは、第２ポートにおけるテラヘルツ波信号が通過して収束するテラヘルツ波信号の経路の概念的に示す図である。図９は、平面レンズ部内を放射状に広がるテラヘルツ波信号の振幅を仮想的な波に見立てて概念的に示す図である。

これらの第１平面レンズ部２２と、第２平面レンズ部３２と、第３平面レンズ部４２とは、同等の平面レンズであり、例えば、テラヘルツ波信号を発散して平行波の生成（コリメーションcollimation）と、テラヘルツ波信号の収束（focusing）との両方が可能な半円凸型テラヘルツレンズである。本実施形態では、第１平面レンズ部２２乃至第３平面レンズ部４２は、同等な構成で同じ性能であるものとし、代表的に第１平面レンズ部２２を例にとって説明する。尚、本実施形態では、第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２は、同じ性能を有することを例として説明したが、勿論、限定されるものではなく、後述するレンズを形成する貫通孔の孔径や孔間距離は、用途や仕様により変更することが可能である。

第１平面レンズ部２２は、前述した半導体製造技術を用いて、第１フォトニック結晶導波路２３と同時に形成される。第１平面レンズ部２２は、図５及び図６に示すように、矩形の第１フォトニック結晶導波路２３の１辺に接するように、複数の貫通孔（スルーホール）２６が複数列のアレイ状に形成される。これらの貫通孔２６は、列毎に１／２ピッチずれて、図６に示すように、隣接する貫通孔２６が同一の孔間の距離Ｐa1を離間した正三角形の位置関係を構成する千鳥配置を形成している。各貫通孔内は、気体、例えば、大気下では空気が充満している。

第１平面レンズ部２２は、マックスウェル魚眼レンズ（Maxwell fisheye lens）から派生し、テラヘルツ波の電磁波の範疇で例えば、グリンレンズ（Gradient Index lens）と同様に、工学的に屈折率を調整することが可能なレンズである。即ち、第１平面レンズ部２２は、周期的な貫通孔の千鳥配置（三角格子配置）のパターンの形で、孔径と孔間距離を調整することで、工学的に屈折率を調整することができ、平面レンズに容易に適用できる。ここで、第１平面レンズ部２２に適用されているマックスウェル魚眼レンズは、屈折率を調整することにより、図７に示す光束の軌跡のように、点光源（入力点）Ｐ１を直径方向に対向する焦点（出力点）Ｐ２にマッピングし、レンズ内を光束が放射状に拡散・収束するように通過する光学部品であり、点光源及び焦点のどちらも同じ円周上に存在する。複数の点光源が異なる位置から入力した場合には、中心を通過した対向する円周上の位置にそれぞれ焦点が生じる。

屈折率分布を（１）式に従うように設計すると、光束は、図７に示す軌跡を描く。つまり、レンズ内を通過する光束は、レンズ中心を垂直に通る図７に示す点線ｍで点光源Ｐ１の入射方向と平行な平行波になる。

従って、円形のマックスウェル魚眼レンズを、入射方向に対する垂線ｍで半円に切ることで、図７及び図８Ａに示すように１つの点光源を半円又は円弧状に拡散させて平行光に変換することができる。また、図７及び図８Ｂに示すように、マックスウェル魚眼レンズの半円の平面側から平行光を入射すると、円弧状に収束させて平行光を１つの点光源に変換（合焦）することができる。また、シリコン半導体基板に貫通孔の無い状態を最大の屈折率として、貫通孔の径（大きさ）を変更することで、（１）式で示すような屈折率を１からｎ_maxまでの任意の屈折率（有効屈折率媒質）ｎ（ｒ）を得ることができる。但し、このような屈折率を得るためには、孔の大きさ（孔径）を波長の１／４以下に設定する。本実施形態では、半円のマックスウェル魚眼レンズ（又は、ハーフマックスウェル魚眼レンズと称する）を電磁波のテラヘルツ波信号に用いる。

ここで、レンズ内部の最大の屈折率：ｎmax、レンズの最大半径：ｒmax、レンズ内部の半径：ｒ、周囲に隣接する貫通孔どうしの中心間距離：ａ及び、貫通孔の径：Ｄ１とする。従って、第１に、屈折率は、本質的に自由なパラメータであり、設計に合わせて選択的に設定することができる。また、第２に、屈折率の最大値は、レンズの中心を通る直径位置（r＝０）で発生する。第３に、ｎ（ｒmax）＝ｎmax／２であるため、特定のマックスウェル魚眼レンズを実現するために使用される有効媒質の屈折率は、２：１の比率で連続的に変化する。

以上のことから、第１平面レンズ部２２においては、グリンレンズと同様に、最大屈折率が任意に設定可能なパラメータであり、装置の設計に応じて、選択的に設定することができる。即ち、貫通孔の大きさ（孔径）と周期的な格子（ピッチ又は孔間距離）の形態、即ち、本実施形態のような千鳥配置のパターン化された配置により、屈折率が工学的に調整可能である。第１平面レンズ部２２の幅（第１フォトニック結晶導波路２３と導波部３の間の距離）は、形成するレンズの直径に準じる長さに設定される。

次に、図７乃至図９を参照して、フォトニック結晶導波路を用いた第１ポート１１における入力されたテラヘルツ波信号の放射による平行波の生成（コリメート）について説明する。

前述した図１に示す送信器２から発信されたテラヘルツ波信号は、金属導波管２１内を伝搬して、第１導波路２４に伝達される。第１導波路２４は、焦点の近くで３次元ビームのテラヘルツ波信号を局在化するため、狭い第１導波路２４のフィールドに閉じ込めた状態で伝搬され、第１平面レンズ部２２に入射させる。

第１平面レンズ部２２は、前述した貫通孔の孔径や孔間距離によって設定された屈折率（有効屈折率）に従い、図８Ａに示すように、第１導波路２４から幅Ｌ１の平行波で入射されたテラヘルツ波信号を屈折させて円弧Ｋに沿って放射状に拡散するように通過させて、幅Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１）の平行波として、第１導波路２４から導波部３へ伝送する。導波部３は、平行波の状態でテラヘルツ波信号を伝搬する。

また、導波部３を伝送した平行波のテラヘルツ波信号を第２平面レンズ部３２に入射する。第２平面レンズ部３２は、設定された屈折率（有効屈折率）に従い、入射した平行波のテラヘルツ波信号を屈折させて円弧Ｋに沿って一点に収束し、第２フォトニック結晶導波路３３の第２導波路３４に入力させる。第２導波路３４は、入力したテラヘルツ波信号を接合する金属導波管３１を伝搬させて、図１に示した光学系６へ出力する。

次に、図１０乃至図１２を参照して、導波部３内に形成されるビームスプリッタ部４について説明する。図１０は、ビームスプリッタ部４を形成する貫通孔の配置例を示す図である。図１１は、貫通孔の配置関係を説明するための図である。図１２は、ビームスプリッタ部におけるテラヘルツ波信号の反射と透過について説明するための図である。

ビームスプリッタ部４は、導波部３内に多数の貫通孔５１を格子状に配列し、任意の幅Ｌ３で形成される。これらの貫通孔５１は、前述した半導体製造技術を用いて、各ポートの第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２及び第１乃至第３フォトニック結晶導波路２３，３３，４３の各貫通孔と同時に形成される。

ビームスプリッタ部４は、図１０及び図１１に示すように、隣接する貫通孔５１が縦横方向において、同じ距離Ｐa2のピッチを離間した格子配置（grid arrangement）によるストライプ状に形成する。各貫通孔５１内は、気体、例えば、大気下では空気が充満している。図１０で示す格子配置におけるビームスプリッタ部４の貫通孔５１による気体の含有率、例えば空気の含有率（以下、空気含有率とする）ζは、テラヘルツ波信号の反射及び透過に影響を与える。この空気含有率ζとは、多数の貫通孔が格子配置された際のビームスプリッタ部が形成されるシリコン半導体基板の領域に対する空気（空間）が占める割合を示すものである。テラヘルツ波信号の反射と透過との比率（又は、比）は、図２１に示すように、貫通孔５１の径を大径化することにより空気含有率ζを増加させると、反射率が増加するが、透過率は減少する、相反する一次関数的な傾きを持つ反比例の関係を有する。例えば、空気含有率ζを０．２に設定した場合には、ビームスプリッタ部４における略８３％のテラヘルツ波信号が透過し、残りの１７％のテラヘルツ波信号が反射する。また、気含有率ζを０．４に設定した場合には、ビームスプリッタ部４におけるテラヘルツ波信号の透過と反射が共に５０％となり、ハーフミラーとして機能する。このような空気含有率は、貫通孔５１の径Ｄ２とピッチＰa2の距離により次式（２）で求めることができる。

前述したように、多数の貫通孔５１は、貫通孔５１のサイズの選択、配列形態（ピッチ及び行数）及び、幅Ｌにより有効屈折率が変更でき、特定の帯域幅のテラヘルツ波信号に対して、貫通孔５１によるストライプの２つの側面を利用したDBR（Distributed Bragg Reflector）反射帯域をハーフミラーとして作用させて、反射及び透過による送信及び受信を行うことができる。本実施形態では、多数の貫通孔５１をハーフミラーの機能を行うビームスプリッタ部４として用いる。

前述した図２に示すように、ビームスプリッタ部４は、テラヘルツ波信号の伝送経路である出射経路１０３と入射経路１０２が形成されるように、第１乃至第３ポート１１，１２，１３に対して傾きを持つように導波部３内に配置される。具体的には、ビームスプリッタ部４は、送信器２から第１ポート１１に入射したテラヘルツ波信号（出射信号）を反射して第２ポート１２に伝搬する。且つ、ビームスプリッタ部４は、検査対象で反射して第２ポートに入射したテラヘルツ波信号の反射波信号（検出信号）を透過して第３ポート１３に伝搬する。尚、図１０に示すビームスプリッタ部４の幅Ｌ３に沿って形成される貫通孔５１の数は、一例であって限定されているものではない。

次に、ビームスプリッタ部４におけるテラヘルツ波信号の反射及び透過について説明する。
ビームスプリッタ部４は、ストライプの２つの側面を反射面として利用しているため、ビームスプリッタ部の幅（厚み）を設定する上で、ファブリーペロー干渉の影響を考慮する必要がある。

ビームスプリッタ部４は、図１０及び図１２に示すように、ビームスプリッタ部４の表面に相当する第１反射面（又は、第１側面）４ａと、ビームスプリッタ部４の内部底面に相当する第２反射面（又は、第２側面）４ｂの２つの反射面を有している。ビームスプリッタ部４に入射したテラヘルツ波信号は、第１反射面４ａで反射する。しかし、対向する２つの反射面４ａ，４ｂを有しているため、入射したテラヘルツ波信号の一部は、ビームスプリッタ部４の内部に透過してビームスプリッタ部４内に閉じ込められ、第１反射面４ａと第２反射面４ｂとの間で多重内部反射を行うファブリーペロー干渉が生じる。

即ち、ビームスプリッタ部４に入射したテラヘルツ波信号の反射信号において、損失が発生する。この透過は、テラヘルツ波信号の波長に依存している。この透過における波長依存性は、２つの反射面の間で多重に反射された光同士の干渉により生じる。これらのテラヘルツ波信号の位相が合えば、透過光に強め合う干渉が起こり、透過率のピークが生じる。反対にテラヘルツ波信号の位相が逆位相となれば、弱め合う干渉が起こり透過率の谷が生じる。多重反射信号の位相が合うか否かはテラヘルツ波信号の波長（λ）、ビームスプリッタ部４内を通過するテラヘルツ波信号の角度（θ）、ビームスプリッタ部４幅Ｌ３、及び半導体基板の屈折率（ｎ）によって決定される。ここで、ビームスプリッタ部４の幅（行の幅又は、厚み）をＬ３とすると、ビームスプリッタ部４の反射率Ｒ（δ）、位相差（又は、偏角）δ（f）は、次式（３），（４）で求められる。

ここで、n：屈折率、r：反射率、及び、θ：ビームスプリッタ部４への入射角度とする。

図１２に示すように、第１ポート１１からビームスプリッタ部４に出射されたテラヘルツ波信号１０１は、ビームスプリッタ部４に入射すると、第１反射面４ａにおいて第１反射により入射角θに応じた反射角で第１反射信号１０１ａが反射する。

また、入射されたテラヘルツ波信号の一部は、ビームスプリッタ部４の内部に透過して、２つの反射面４ａ，４ｂの間を複数回の反射、即ち、多重反射する。それらの反射の際に、テラヘルツ波信号の位相がビームスプリッタ部４の幅Ｌ３と合えば、反射する際に、第１反射面４ａから第２次反射信号１０１ｂ、第３次反射信号１０１ｃとして第１反射信号１０１ａと同じ方向に出射する。

図１３乃至図１７を参照して、本実施形態のビームスプリッタ部４におけるテラヘルツ波信号の周波数に対する反射率について説明する。図１３は、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を５０μｍに設定した際のテラヘルツ波信号の周波数に対する反射率の特性を示す図である。図１４は、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を１４０μｍに設定した際のテラヘルツ波信号の周波数に対する反射率の特性を示す図である。図１５は、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を５０μｍに設定した際のテラヘルツ波信号の周波数に対する反射波（Ｒ）と透過波（Ｔ）との比（Ｔ／Ｒ）を示す図である。図１６は、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を１４０μｍに設定した際のテラヘルツ波信号の周波数に対する反射波（Ｒ）と透過波（Ｔ）との比（Ｔ／Ｒ）示す図である。図１７は、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を５０μｍ及び１４０μｍに設定した際のテラヘルツ波信号の周波数に対する透過波（ｄＢ）の比較を示す図である。

本実施形態においては、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を５０μｍに設定した際のテラヘルツ波信号の周波数に対する反射率を求めると、図１３に示すように、テラヘルツ波信号の周波数５００GHz－６００GHzの時に、反射率＝１になる。即ち、テラヘルツ波信号は、損失が減り、ビームスプリッタ部４においてほぼ全反射する。

これは、第１ポート１１から入射してビームスプリッタ部４で反射される出射経路１０３を伝搬されるテラヘルツ波反射信号（Ｒ）と、第２ポート１２から入射してビームスプリッタ部４を透過する入射経路１０２を伝搬されるテラヘルツ波反射信号（Ｔ）とした場合に、図１５に示すように、周波数が高くなるほど、比（Ｔ／Ｒ）の利得が下がり、周波数に依存している。図１５においては、比Ｔ／Ｒ＝０（ｄＢ）が最も利得がよく、透過波と反射波の比が１対１である。

また、同様に本実施形態において、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を１４０μｍに設定した際のテラヘルツ波信号の周波数に対する反射率を求めると、図１４に示すように、反射率において、複数の最大値と複数の最小値が生じる特性を有している。反射率において、例えば、テラヘルツ波信号の周波数が４００GHzの時には、反射率＝０となり、６００GHzの時には、反射率＝１となる。即ち、周波数が４００GHzのテラヘルツ波信号は、ビームスプリッタ部４を透過し、周波数が６００GHzのテラヘルツ波信号は、ビームスプリッタ部４を全反射する。

また、図１６に示すように、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を１４０μｍに設定した際のテラヘルツ波信号の周波数に対する反射波（Ｒ）と透過波（Ｔ）との比（Ｔ／Ｒ）は、周波数が５７０GHz程度から高い周波数に対しては、比Ｔ／Ｒ＝０（ｄＢ）となり、透過波と反射波の比が１対１の状態を保持する。即ち、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３が１４０μｍに設定した方が５０μｍに設定するよりもテラヘルツ波信号の周波数に対する依存性が低くなり、安定した伝搬を実施している。

さらに、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を５０μｍに設定した際の透過波と、幅Ｌ３を１４０μｍに設定した際の透過波の比較は、図１７に示すように、幅Ｌ３が１４０μｍに設定したビームスプリッタ部４の方が、テラヘルツ波信号の周波数に対する依存度が低くなる。従って、テラヘルツ波信号の周波数が高いほど、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を広くする方が利用しやすくなる。

以上のことから、ビームスプリッタ部４は、使用するテラヘルツ波信号の周波数（又は、波長）が決定されていた場合には、ビームスプリッタ部４の幅Ｌ３を調整することで、テラヘルツ波信号の反射率を調整することができ、反射と透過の程度を設定することができる。また反対に、ビームスプリッタ部４の幅が決定されていた場合には、テラヘルツ波信号の周波数（又は、波長）を適宜、変更することで、テラヘルツ波信号の反射率を調整することができ、反射と透過を選択することができる。

本実施形態の第１の適用例におけるフォトニック結晶導波路を用いた伝送デバイス５は、レンズ及びビームスプリッタ等の空間光学形成部材を１つの半導体基板に集積した構造を有し、小型化及び軽量化が実現でき、種々の装置に実装することが容易である。さらに、伝送デバイス５は、半導体基板に対して、空間光学形成部材の位置が一義的に設定されるため、従来のように個々の空間光学形成部材の位置調整を行うこと無く、利用することができる。さらに、空間光学形成部材を配置するための個別のマウントまたはホルダーが不要である。

伝送デバイス５を構成する導波部３及び各ポート１１，１２，１３の第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２、ビームスプリッタ部４、フォトニック結晶導波路２３，３３，４３を半導体装置製造技術に関わる、リソグラフィー（露光技術）および異方向性エッチング技術を用いて、一括で一体的に形成することができる。

伝送デバイス５の第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２は、平面集積型マックスウェル魚眼レンズの機能を有するアレイ状に配置された複数の貫通孔により構成され、第１導波路２４に閉じ込められて伝搬されるテラヘルツ波信号の電磁波を平面波的なスラブモードに変換し、テラヘルツ波信号の伝搬する方向を放射方向及び合焦方向に置き換えることができる。

伝送デバイス５は、通常、自由空間を移動する３次元ビームのテラヘルツ波信号を導波部３の薄い半導体基板のＺ次元（上下方向）で制約し、ＸＹ次元（平面方向）の誘電体スラブモードに閉じ込めることで、広帯域な空間光学的要素が利用可能であり、透過特性は広帯域で且つ、高効率性を有している。

また、伝送デバイス５のビームスプリッタ部４は、伝搬するテラヘルツ波信号の波長（周波数）に応じて、貫通孔５１の径の大きさ、ピッチ（貫通孔間の距離）を調整することで、反射率を調整でき、テラヘルツ波信号の反射又は透過を自在に設定することができる。

また、伝送デバイス５は、半導体基板に限定されるものではなく、誘電体としての性質を利用しているため、一般的な誘電体材料を用いて形成することが可能である。
さらに、伝送デバイス５は、平面レンズ部の手前に半導体導波路（ここでは、第１導波路２４）を配置することで、機械的強度が向上している。

［ビームスプリッタ部の変形例］
次に、図２、図１０、図１１、図２２Ａ，２２Ｂ及び図２３Ａ，２３Ｂを参照して、ビームスプリッタ部の変形例について説明する。
前述したビームスプリッタ部４は、前述した第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２及び第１乃至第３フォトニック結晶導波路２３，３３，４３を形成するシリコン半導体基板の伝送デバイス５内に形成した例について説明した。この場合、ビームスプリッタ部４は、シリコン半導体基板を材料として形成しているため、テラヘルツ波信号に対する作用（又は、機能）は、反射又は透過程度に限定されている。

そこで、本変形例では、ビームスプリッタ部４によるテラヘルツ波信号に対する作用において、反射又は透過に加えて、後述する他の作用を実現する。これを実現するために、ビームスプリッタ部４を前述した実施形態のシリコン半導体基板以外の材料も含めた材料を用いて形成する。本変形例において、ビームスプリッタ部４は、誘電体材料、前述したSi、InP、GaAs、GaN等を含む半導体材料、金属材料及び、磁性体材料のうちの１つの材料又は、複数の材料を組み合わせた材料を用いて形成する。以下の説明において、複数の材料を組み合わせる場合に、基本的には、材料個々の層を積み重ねた積層構造を採用し、ハイブリッド構造と称している。勿論、積層構造だけではなく、例えば、複数の金属を融合させた合金及び、複数の材料を混ぜ合わせた混合材料として利用することも可能である。

ビームスプリッタ部４の誘電体材料としては、例えば、石英、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、ポリメチルペンテン（登録商標）、ポリイミド、シクロオレフィン、ペリクル等を用いることができる。また、金属材料としては、金、銀、銅、アルミニウム、タングステン、及びこれらの合金等の種々の金属材料を用いることができる。

前述した各平面レンズ部２２，３２，４２及び各導波路２３，３３，４３が形成された半導体基板とは異なる材料でビームスプリッタ部を形成する場合に、第１の製造方法として、単体で形成したビームスプリッタ部４を半導体基板の導波部３に填め入れて一体化する製造方法がある。この製造方法としては、まず、第１に、前述したビームスプリッタ部４の材料の中から伝送デバイス５の仕様や設計に好適する材料を選択する。

図２２Ａに示すように、選択された材料により中実なビームスプリッタ部４を単体で形成する。この形成においては、ビームスプリッタ部で利用するテラヘルツ波信号の反射及び透過に基づき、空気含有率ζを設定する。その空気含有率ζが得られる貫通孔５１の径Ｄ２と孔間距離（ピッチＰa2）を有する格子配置を形成する。貫通孔５１は、採用した材料に適した形成方法を選択する。その形成方法は、例えば、レーザビームの照射や半導体製造技術に関わるドライエッチング等による物理的な切削又は、ウェットエッチング等の化学的な切削を利用することができる。

次に、ビームスプリッタ部４を設計に従ったサイズに切り出す又は、サイズ調整を行う。前述した物理的な切削、化学的な切削、又は、ドリルや研磨器等を用いた機械的な切削を利用することができる。続いて、半導体基板の導波部３において、第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２による伝送されるスラブモードのテラヘルツ波信号の反射位置と反射方向を考慮して、ビームスプリッタ部４を填め入れるための孔３ａ（又は溝［有底孔］）の形成位置を設定する。さらに、前述したレーザビームの照射や半導体製造技術に関わるエッチングにより、その填め入れる孔３ａを形成する。

さらに、図２２Ｂに示すように、半導体基板に形成された孔３ａに、ビームスプリッタ部を填め入れて、接着剤等を用いて、孔３ａの側面とビームスプリッタ部の側面とが密着するように接着し、半導体基板とビームスプリッタ部４を一体化させる。
また、ビームスプリッタ部４は、前述した複数の材料を組み合わせて、種々の機能を有する構成も可能である。図２３Ａに示すように、ビームスプリッタ部は、例えば、スラブモードのテラヘルツ波信号が各層を通過するように異種材料を２層に積層したハイブリッド構造がある。

ハイブリッド構造のビームスプリッタ部４の第１例として、屈折率が異なる材料を用いた場合、同じ孔間距離で同じ孔径の貫通孔５１を格子配置を形成しても、屈折率が異なることから反射角度又は透過角度が異なる。このため、少なくとも異なる２方向に、分岐させてテラヘルツ波信号を反射又は透過させることができる。またビームスプリッタ部４の第２例として、異なる特定波長（又は、特定周波数）の信号を透過する２種類の材料を積層したハイブリッド構造がある。この第２例の場合、複数の波長（又は、周波数）が混合したテラヘルツ波信号を伝送させた際に、特定波長のテラヘルツ波信号がビームスプリッタ部を透過し、特定波長以外のテラヘルツ波信号は、反射される。即ち、ビームスプリッタ部は、フィルタ機能を有している。

さらに図２３Ａに示すように、ビームスプリッタ部４の第３例として、特定方向に偏光又は、偏波した信号を通過させる偏光層４ｃを上層に配置し、下層に支持基板となる金属層４ｄを配置したハイブリッド構造がある。この第３例の場合、図２３Ｂに示す複数の波長（又は、周波数）が混合したテラヘルツ波信号２００を伝送させた際に、特定方向に偏波されたテラヘルツ波信号２０２がビームスプリッタ部４を透過（通過）し、それ以外のテラヘルツ波信号２０１は、反射される。即ち、ビームスプリッタ部４は、偏光機能によるテラヘルツ波信号の選択機能を有している。

尚、本変形例では、導波部３を第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２と同じ半導体基板に形成し、ビームスプリッタ部４のみを単体（別体）として形成して、導波部３に填め入れる構成であったが、この構成に限定されるものではない。例えば、導波部３を第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２とは、別体の異なる誘電体基板に形成し、さらに単体で形成したビームスプリッタ部４を導波部３に填め入れる。ビームスプリッタ部４が嵌め込まれた導波部３を第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２が形成された半導体基板に嵌め込む構成であってもよい。この構成であれば、第１乃至第３平面レンズ部２２，３２，４２とは特性の異なる導波部３を形成することができ、また、ビームスプリッタ部４の反射率又は透過率も適宜、設定することが可能である。

［第２の適用例］
図１８乃至図２０を参照して、第１乃至第３ポート１１，１２，１３において、細線導波路（又は、スロット導波路）を用いた第２の適用例について説明する。図１８は、細第２の適用例に係 る線導波路を有する第１ポートの構成例を示す図である。図１９は、細線導波路と平面レンズ部との接合箇所を拡大して示す拡大図である。図２０は、伝搬するテラヘルツ波信号の周波数に対する、フォトニック結晶導波路を用いた平面レンズ部と、細線導波路を用いた平面レンズ部とにおける透過率の信号強度の特性を示す図である。この第２の適用例においても前述した第１適用例と同様に、第１乃至第３ポート１１、１２、１３は、共に細線導波部を有する構成は同等であり、ここでは、代表的に第１ポートを例として説明する。

第１細線導波路６１は、例えば、厚さ２００μｍのシリコン半導体基板に形成される第１平面レンズ部２２に、細線導波路６１の一端６１ａが直線的に嵌め込まれた構造である。即ち、第１平面レンズ部２２の手前で細線導波路６１の両側には、第１導波路２４が設けられていない構成である。第１細線導波路６１は、屈折率差によって細線導波路にテラヘルツ波信号の電磁波を閉じ込めて伝搬する。この細線導波路は、前述したフォトニック結晶導波路における導波路の両側に配置された平面レンズ部が設けられていない構成である。

この第１細線導波路６１は、第１平面レンズ部２２と同時に形成される。第１細線導波路６１は、断面が矩形の形状を成し、前述した第１導波路２４と同様に、細線導波路６１の他端６１ｂは、細長い角柱形状で先端に向かい先細りのテーパー形状を成し、金属材料から形成される第１金属導波管２１が差し込まれて結合されている。

図１９に示す接合箇所においては、第１平面レンズ部２２内に細線導波路６１の一端６１ａが直線的に入り込んだ構造となっている。この一端６１ａの両側面に接する第１平面レンズ部２２の貫通孔６２は、半円筒の直径に掛かる錐面（切断面）側が接するように形成されている。

また、第１平面レンズ部２２と接合している細線導波路６１の一端６１ａの中央には、導波部３に向かい、徐々に径が大径化する１列の貫通孔（第４貫通孔）６３が形成されている。また、細線導波路６１の一端６１ａの先端部分においては、必要に応じて、第１平面レンズ部２２と細線導波路６１とのインピーダンス値の段差を緩和し、テラヘルツ波信号の進行方向を制御するために、Ｕ型の切り欠き６３ａを形成する。これらの貫通孔６３は、細線導波路６１と第１平面レンズ部２２とのインピーダンス整合を取り、電磁波であるテラヘルツ波信号の反射波が発生することを防止する。また、この接合箇所におけるインピーダンス整合のための貫通孔６３は、前述したフォトニック結晶導波路と平面レンズ部との接合箇所に適用することができる。勿論、図１９に示す貫通孔６３の配置や径の大きさ等は、一例であり、前述した第１導波路２４と第１平面レンズ部２２とのインピーダンス整合を行う貫通孔２４ａと同様な構成であってもよい。

次に、図２０を参照して、伝搬するテラヘルツ波信号の周波数に対する、フォトニック結晶導波路を用いた平面レンズ部と、細線導波部を用いた平面レンズ部とにおける透過率の信号強度について説明する。
図２０に示すように、細線導波部を用いた平面レンズ部から取得する透過率の信号強度（ｄＢ）は、実測した周波数４５０GHz～７５０GHzの広帯域において、信号強度が－１～－３（ｄＢ）の範囲内にあり、比較的変動が少ない平坦な特性となっている。

これに対して、フォトニック結晶導波路を用いた平面レンズ部から取得する信号強度は、細線導波路部を用いた平面レンズ部から取得する信号強度（ｄＢ）の方よりも、周波数５４０GHz～６００GHzを除いて、低いレベルとなり、また周波数に対する変動も大きい。この原因は、フォトニック結晶導波路２３と導波部３との間に「壁」ができ、多重反射により透過率の変化が生じていると想定する。しかしながら、フォトニック結晶導波路を用いた構成は、細線導波路部を用いた構成よりも強度が高く、実用レベルにある。また、使用するテラヘルツ波信号の周波数の帯域が限定されている狭帯域であれば、フォトニック結晶導波路を用いた構成であっても細線導波路部を用いた構成とは、特性が大きくは変わらず、実用的に用いることができる。

以上説明した第１適用例及び第２適用例における伝送デバイス５を例えば、テラヘルツ波信号を検査信号として用いて、検査対象物に照射し、検査対象物の内部構造を画像情報として非破壊で撮像する検査システムに適用することができる。

また、テラヘルツ波信号は、マイクロ波やミリ波に比べて指向性が高いため、伝送路、レンズ及びビームスプリッタ等の光学素子の配置調整が難しくなるが、本実施形態の伝送デバイス５は、半導体製造プロセスを用いて半導体基板に一体的に作成している。このため、検査システムに搭載した場合には、対物レンズ９やスキャン部８の位置調整のみとなり、装置製造が小型化だけでは無く、容易になり、製造工数や製造人員が削減でき、コストを抑えることができる。

本発明の実施形態及び適用例について説明したが、これらの実施形態等は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態等は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…テラヘルツ波システム、２…送信器、３…導波部、４…ビームスプリッタ部、４ａ，４ｂ…反射面、５…伝送デバイス、６…光学系、７…受信器、８…スキャン部、９…対物レンズ、１１…第１ポート、１２…第２ポート、１３…第３ポート、２１…第１金属導波管、２２…第１平面レンズ部、２３…第１フォトニック結晶導波路、２４…第１導波路、２４ａ，２５，２６，５１…貫通孔、３１…第２金属導波管、３２…第２平面レンズ部、３３…第２フォトニック結晶導波路、３４…第２導波路、４１…第３金属導波管、４２…第２平面レンズ部、４３…第３フォトニック結晶導波路、４４…第３導波路。

Claims (8)

1. 誘電性を有する平坦な基板に形成され、テラヘルツ波信号の周波数により設定された幅を有し、前記テラヘルツ波信号を伝搬する第１導波路と、
   前記基板に形成される千鳥配置された複数の第１貫通孔を有し、前記第１導波路と接続して前記テラヘルツ波信号の送受を行い、前記第１貫通孔の孔径と孔間距離により設定された第１屈折率により、通過する前記テラヘルツ波信号を拡散して平行波に変換する又は、通過する平行波の前記テラヘルツ波信号を収束させる第１平面レンズ部と、
   前記第１導波路と前記第１平面レンズ部が接合する第１接合箇所に配置され、前記第１導波路から前記第１平面レンズ部に向かい、徐々に大径化する複数の第４貫通孔を有し、前記第１導波路と前記第１平面レンズ部間のインピーダンス整合を行う第１接合部と、
   を備える伝送デバイス。
2. 前記テラヘルツ波信号を伝搬する前記第１導波路と、
   前記テラヘルツ波信号を円弧状に拡散して、平行波に変換する前記第１平面レンズ部と、
   前記第１導波路と前記第１平面レンズ部間のインピーダンス整合を行う前記第１接合部と、
   を備え、さらに、
   前記基板上で前記第１平面レンズ部と接続し、前記第１平面レンズ部から平行波に変換された前記テラヘルツ波信号を伝送する伝送路と、
   前記基板に形成されて前記伝送路と接続し、千鳥配置された複数の前記第１貫通孔を有し、前記第１貫通孔により設定された前記第１屈折率により、通過する前記テラヘルツ波信号に対して、前記伝送路から伝送された平行波の前記テラヘルツ波信号を収束させる又は、前記第１屈折率により前記テラヘルツ波信号の反射信号を拡散して、平行波に変換する第２平面レンズ部と、
   前記基板に形成されて前記第２平面レンズ部と接続し、収束された前記テラヘルツ波信号の周波数により設定された幅を有し、前記第２平面レンズ部から入力された前記テラヘルツ波信号を出力し、又は外部から入力された前記テラヘルツ波信号の反射信号を前記第２平面レンズ部へ伝搬する第２導波路と、
   前記第２平面レンズ部と前記第２導波路が接合する第２接合箇所に配置され、前記第２導波路から前記第２平面レンズ部に向かい、徐々に大径化する複数の前記第４貫通孔を有し、前記第２平面レンズ部と前記第２導波路間のインピーダンス整合を行う第２接合部と、
   を備える、請求項１に記載の伝送デバイス。
3. 前記伝送路内に、誘電体、半導体、導電体、及び磁性体の材料のうちの何れか１つの前記材料又は、２つ以上の前記材料を組み合わせた材料を用いて、複数の第２貫通孔の格子配置による帯状に形成され、前記帯状の領域における前記第２貫通孔による気体の含有率により設定された第２屈折率による反射又は透過により、前記第１平面レンズ部から伝送される平行波の前記テラヘルツ波信号を前記第２平面レンズ部に伝送するビームスプリッタ部を有し、
   前記ビームスプリッタ部は、単体で形成されて前記基板と一体化される又は、前記基板内で前記伝送路と共に形成される、請求項２に記載の伝送デバイス。
4. 前記第１導波路、前記第１平面レンズ部及び、前記第１接合部は、前記テラヘルツ波信号を供給する第１ポート及び、
   前記第２導波路、前記第２平面レンズ部及び、前記第２接合部は、前記テラヘルツ波信号を送受する第２ポートを構成し、さらに、
   前記第２ポートから取り込まれて、前記ビームスプリッタ部を透過又は反射した前記平行波の前記テラヘルツ波信号の前記反射信号を円弧状に収束する第３平面レンズ部と、前記第３平面レンズ部により収束された前記テラヘルツ波信号の反射信号を受信し、閉じ込めて伝搬する第３導波路と、前記第３平面レンズ部と前記第３導波路が接合する第３接合箇所に配置され、前記第３導波路から前記第３平面レンズ部に向かい、徐々に大径化する複数の前記第４貫通孔を有し、前記第３平面レンズ部と前記第３導波路間のインピーダンス整合を行う第３接合部とを含み、信号受信を行う第３ポートを備える、請求項３に記載の伝送デバイス。
5. 前記第１導波路の両側面に前記第１貫通孔より大径化した複数の第３貫通孔が千鳥配置され、前記第１導波路の両側面が半円筒形の前記第３貫通孔で覆われて構成され、前記テラヘルツ波信号を前記第１導波路に閉じ込めて伝搬させる第１フォトニック結晶導波路と、
   前記第２導波路の両側面に前記第１貫通孔より大径化した複数の第３貫通孔が千鳥配置され、前記第２導波路の両側面が半円筒形の前記第３貫通孔で覆われて構成され、前記テラヘルツ波信号を前記第２導波路に閉じ込めて伝搬させる第２フォトニック結晶導波路と、
   前記第３導波路の両側面に前記第１貫通孔より大径化した複数の第３貫通孔が千鳥配置され、前記第３導波路の両側面が半円筒形の前記第３貫通孔で覆われて構成され、前記テラヘルツ波信号を前記第３導波路に閉じ込めて伝搬させる第３フォトニック結晶導波路と、を備える請求項４に記載の伝送デバイス。
6. 前記ビームスプリッタ部に入射した前記テラヘルツ波信号の前記反射と前記透過との比率は、前記ビームスプリッタ部が形成される前記基板の形成領域に対する前記第２貫通孔内に存在する空気の含有率の増加に対して、反射率が増加し、透過率が減少する関係を有する、請求項３に記載の伝送デバイス。
7. 前記第１平面レンズ部の屈折率は、
   レンズ内に前記第１貫通孔の無い状態を最大の屈折率：ｎ_max、レンズの最大半径：ｒ_max、レンズ内部の半径：ｒとして、前記第１貫通孔の径が波長の１／４以下のときに、
   

   

   である、請求項１に記載の伝送デバイス。
8. 請求項４に記載の前記伝送デバイスと、
   テラヘルツ波信号を前記伝送デバイスの前記第１ポートへ発信出力する送信器と、
   前記第１ポートから伝搬され、前記ビームスプリッタ部を反射又は透過したテラヘルツ波信号を、前記第２ポートから受けて任意の対象物へ出射し、及び前記対象物からの前記テラヘルツ波信号の反射信号を入射する光学系と、
   前記光学系から前記第２ポートを経て前記ビームスプリッタ部で透過又は反射した前記テラヘルツ波信号の反射信号を受信する受信器と、
   を備える伝送デバイスを搭載するシステム。

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